Elektronische schakelingen worden zodanig geminiaturiseerd dat kwantummechanische effecten merkbaar worden. Met behulp van foto-elektronenspectrometers, vastestoffysici en materiaalontwikkelaars kunnen meer ontdekken over dergelijke op elektronen gebaseerde processen. Fraunhofer-onderzoekers hebben een revolutie teweeggebracht in deze technologie met een nieuwe spectrometer die werkt in het megahertz-bereik.

Onze visie is beperkt tot de macroscopische wereld. Als we naar een object kijken, we zien alleen de oppervlakte ervan. Op nanoschaal is dingen zouden er heel anders uitzien. Dit is een wereld van atomen, elektronen en elektronenbanden, waarin de wetten van de kwantummechanica de scepter zwaaien. Het nader onderzoeken van deze kleinste bouwstenen van materie is een zeer interessante weg voor vastestoffysici en materiaalontwikkelaars - zoals degenen die werken aan elektronische circuits, die in sommige gevallen zo geminiaturiseerd zijn dat kwantummechanische effecten merkbaar worden.

Foto-elektronenspectroscopie opent een venster op atomen samen met hun energietoestanden en hun elektronen. Het principe kan als volgt worden beschreven:Met behulp van een laser, je schiet hoogenergetische fotonen (lichtdeeltjes) op het oppervlak van het te onderzoeken vastestofobject - een elektronische schakeling, bijvoorbeeld. Het hoogenergetische licht slaat elektronen uit de atomaire binding. Afhankelijk van hoe diep de elektronen zich in het atoom bevinden – of beter gezegd, in welke energieband ze zich bevinden – ze bereiken de detector vroeg of laat. Analyseren van de tijd die elektronen nodig hebben om de detector te bereiken, materiaalontwikkelaars kunnen conclusies trekken over de energietoestanden van de elektronenbanden en de structuur van de atomaire bindingen in de vaste stof. Net als in een race, alle elektronen moeten tegelijkertijd beginnen - anders de race kan niet worden geanalyseerd. Dit soort gelijktijdige start kan alleen worden bereikt door gebruik te maken van een gepulste laserstraal. Simpel gezegd:je schiet de laser op het oppervlak, kijk naar wat er is vrijgegeven - en schiet opnieuw. Gewoonlijk werken de lasers in het kilohertz-bereik, wat betekent dat ze een paar duizend laserlichtpulsen per seconde uitzenden.

Het probleem is dat als je te veel elektronen tegelijk vrijmaakt met een puls, ze stoten elkaar af, waardoor het onmogelijk is om ze te meten. Dus je zet de kracht van de laser lager. Om toch voldoende elektronen te kunnen meten voor een betrouwbaar monster, u moet zorgen voor voldoende lange meettijden. Maar soms is dit niet haalbaar, omdat de parameters van de monsters en de straalbron niet voldoende stabiel kunnen worden gehouden gedurende zo'n lange periode. Meettijden verkorten van vijf uur tot tien seconden.

Onderzoekers van de Fraunhofer Institutes for Applied Optics and Precision Engineering IOF en voor Laser Technology ILT hebben samengewerkt met hun collega's van het Max Planck Institute of Quantum Optics om 's werelds eerste foto-elektronspectrometer te ontwikkelen die niet werkt in het kilohertz-bereik, maar bij 18 megahertz. Dit betekent dat er duizenden keren meer pulsen op het oppervlak vallen dan bij conventionele spectrometers. Dit heeft een dramatisch effect op de meettijden. "Vroeger duurden bepaalde metingen vijf uur, nu kunnen we ze in tien seconden uitvoeren, " zegt dr. Oliver de Vries, wetenschapper bij Fraunhofer IOF.

Versterken en verkorten van laserpulsen

De spectrometer bestaat uit drie hoofdcomponenten:een ultrasnel lasersysteem, een versterkingsresonator en een monsterkamer met de eigenlijke spectrometer zelf. Als de eerste laser, de onderzoekers gebruiken een fasestabiele titanium-saffierlaser. Ze veranderen de laserstraal in de eerste component:door middel van voorversterkers en versterkers, ze verhogen het vermogen van 300 microwatt naar 110 watt - een miljoenvoudige toename. In aanvulling, ze verkorten de pulsen. Om dit te doen, ze gebruiken een truc waarbij de laserstraal talloze keren door een vaste stof wordt geschoten, wat het spectrum verbreedt. Als je vervolgens deze nieuw gecreëerde frequentiecomponenten van de puls weer bij elkaar brengt - dat wil zeggen, als je alle frequenties op een fase-correcte manier combineert, verkort je de pulsduur. "Hoewel deze methode van tevoren al bekend was, het was tot nu toe niet mogelijk om de pulsenergie te comprimeren die we hier nodig hebben, " zegt Dr. Peter Rußbüldt, groepsmanager bij Fraunhofer ILT.

Het verhogen van de foton-energie

De pulsduur van het laserlicht dat de eerste component verlaat is al erg kort. Echter, de energie van zijn fotonen is nog niet voldoende om elektronen uit de vaste stof te slaan. In het tweede onderdeel, de onderzoekers verhogen daarom de fotonenenergie en verkorten de pulsduur van de laserstralen in een resonator opnieuw. Spiegels sturen het laserlicht enkele honderden keren in een cirkel in de resonator. Elke keer dat het licht het startpunt weer passeert, Daarop wordt verse laserstraling van het eerste onderdeel gesuperponeerd - en dit op zo'n manier dat de kracht van de twee bundels bij elkaar wordt opgeteld. Gebotteld in de resonator, deze straling bereikt zo'n krachtige intensiteit dat er iets verbazingwekkends gebeurt in een gasstraal - er worden hoogenergetische attoseconde XUV-pulsen gegenereerd met vele malen de frequentie van de laserstraal.

De onderzoekers van Fraunhofer ILT gebruiken nog een truc om de hoogenergetische attoseconde XUV-pulsen terug uit de resonator te krijgen. "We hebben een speciale spiegel ontwikkeld die niet alleen bestand is tegen het hoge vermogen, maar heeft ook een minuscuul gaatje in het midden, " legt Rußbüldt uit. De bundel van hoogharmonische stralen - zoals de hoogenergetische laserstralen worden genoemd - die door het proces wordt gegenereerd, is kleiner dan de andere golven die circuleren. Terwijl de lichtstralen met lagere energie de spiegel blijven raken en worden in een cirkel rondgestuurd, de hoogenergetische bundel van stralen is zo dun en smal dat hij door het gat in het midden van de spiegel glijdt, verlaat de tweede component en wordt afgebogen in het monstercompartiment binnen de derde component.

Het prototype van de foto-elektronenspectrometer is voltooid. Het bevindt zich in het Max Planck Instituut in Garching, waar het wordt gebruikt voor experimenten en geoptimaliseerd met de medewerking van Fraunhofer-onderzoekers.