Forschung & Entwicklung

Elektronenspektrometer entschlüsselt quantenmechanische Effekte

Elektronische Schaltkreise sind derart miniaturisiert, dass sich quantenmechanische Effekte bemerkbar machen. Mit einem neuen Fotoelektronenspektrometer, das im Megahertz-Bereich arbeitet, lässt sich mehr über solche elektronenbasierte Prozesse herausfinden.

Die Fotoelektronenspektroskopie ermöglicht einen Blick auf die Atome, ihre energetischen Zustände und ihre Elek­tronen. Das Prinzip: Man schießt mit einem Laser hochenergetische Photonen auf die Oberfläche des zu untersuchenden Festkörpers, etwa eines elektrischen Schaltkreises. Das hochenergetische Licht schlägt Elektronen aus dem Atomverbund heraus. Je nachdem in welchem energetischen Band sich die Elektronen im Atom befinden, gelangen sie schneller oder langsamer zum Detektor. Über die Laufzeit, die die Elektronen bis zum Detektor brauchen, können Rückschlüsse auf die energetischen Zustände der Elektronenbänder und die Struktur des Atomverbunds im Festkörper gezogen werden. Die Elektronen müssen alle gleichzeitig starten, ansonsten kann man sie nicht analysieren. Einen solchen gemeinsamen Start erreicht man durch eine gepulste Laserstrahlung. Vereinfacht gesagt: Man schießt mit dem Laser auf die Oberfläche, schaut sich an, was dabei herausgelöst wurde – und schießt dann erneut. Üblicherweise arbeiten die Laser im Kilohertzbereich, sie geben also einige Tausend Laserlichtpulse pro Sekunde ab.

Das Problem: Setzt man mit einem Puls zu viele Elektronen gleichzeitig frei, stoßen sich diese gegenseitig ab – sie lassen sich dann nicht mehr vermessen. Also regelt man die Leistung des Lasers herunter. Um dennoch genügend Elektronen zu vermessen und eine verlässliche Aussage treffen zu können, muss man dementsprechend lange Messzeiten einplanen. Das ist mitunter kaum praktikabel: Proben und Strahlquellenparameter lassen sich über einen solchen langen Zeitraum nicht ausreichend stabil halten.

Forscher der Fraunhofer-Institute für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF und für Lasertechnik ILT haben gemeinsam mit ihren Kollegen des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) erstmals ein Fotoelektronenspektrometer entwickelt, das nicht mit Kilohertzfrequenzen, sondern bei 18 Megahertz arbeitet. Das heißt: Es treffen mehrere Tausend Mal mehr Pulse auf die Oberfläche als in herkömmlichen Spektrometern. Messungen, die vorher fünf Stunden gedauert haben, brauchen jetzt nur noch zehn Sekunden.

Das entwickelte Spektrometer besteht aus drei Hauptkomponenten: dem Ultrakurzpulslasersystem, dem Überhöhungsresonator und der Probenkammer mit dem eigentlichen Spektrometer. Als Ausgangslaser verwenden die Forscher einen phasenstabilen Titan-Saphir-Laser. Seinen Laserstrahl verändern sie in der ersten Komponente: Durch Vorverstärker und Verstärker schrauben sie die Leistung von 300 Mikrowatt auf 110 Watt hoch. Zum anderen verkürzen sie die Pulse. Dazu schicken die Forscher den Laserstrahl mehrere zig Male durch einen Festkörper, der das Spektrum verbreitert. Schiebt man diese so erzeugten neuen Frequenzanteile des Pulses nun wieder zusammen – kombiniert man also alle Frequenzen phasenrichtig – verkürzt sich die Pulsdauer. „Zwar war dieses Verfahren bereits zuvor bekannt, allerdings konnte man die Pulsenergie, die wir hier brauchen, vorher noch gar nicht komprimieren“, sagt Dr. Peter Rußbüldt, Gruppenleiter am Fraunhofer ILT.

Das Laserlicht, das die erste Komponente verlässt, hat bereits eine sehr kurze Pulsdauer. Die Energie seiner Photonen reicht allerdings noch nicht aus, um Elektronen aus dem Festkörper herauszuschlagen. In der zweiten Komponente steigern die Forscher die Photonenenergie und verkürzen die Pulsdauer der Laserstrahlen daher abermals in einem Resonator. Spiegel lenken das Laserlicht im Resonator mehrere hundert Male im Kreis herum. Jedes Mal, wenn das Licht den Anfangspunkt erneut passiert, wird es mit Laserstrahlung aus der ersten Komponente überlagert –, und zwar so, dass sich die Leistung der beiden Strahlen addiert. Diese im Resonator eingesperrte Strahlung erreicht so große Intensitäten, dass in einem Gasjet Erstaunliches passiert – hochenergetische XUV-Attosekundenpulse mit einem Vielfachen der Frequenz des Laserstrahls werden erzeugt.

Mit einem speziellen Spiegel bekommen die Forscher des Fraunhofer ILT die hochenergetischen XUV-Attosekundenpulse wieder aus dem Resonator heraus. Das Strahlenbündel der erzeugten hohen Harmonischen ist kleiner als das der anderen umlaufenden Wellen. Während die energieärmeren Lichtstrahlen weiterhin auf den Spiegel treffen und im Kreis gelenkt werden, ist das hochenergetische Strahlenbündel so schlank und schmal, dass es das Loch in der Mitte des Spiegels passiert, die zweite Komponente verlässt und in den Probenraum in der dritten Komponente umgelenkt wird.

Der Prototyp des Fotoelektronenspektrometers wird am MPQ für Untersuchungen genutzt und gemeinsam mit den Fraunhofer-Forschern optimiert.

von mn

www.ilt.fraunhofer.de

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