Elektronenspektrometer soll quantenmechanische Effekte entschlüsseln

© Fraunhofer IOF

Edelgas-befüllte Druckkammer mit lichtführender Hohlkernfaser. Das Gas und das Licht interagieren miteinander. Die Folge: Das optische Spektrum verbreitert sich, die Pulse werden kürzer (30 fs).

Elektronische Schaltkreise sind derart miniaturisiert, dass sich quantenmechanische Effekte be­merkbar machen. Mithilfe von Photoelektronenspektrometern können Festkörperphysiker und Materialentwickler mehr über solch elektronenbasierte Prozesse herausfinden. Fraunhofer-For­schende haben dazu beigetragen, diese Technologie zu revolutionieren – mit einem neuen Spektro­meter, das im Megahertz-Bereich arbeitet.

Ultraschnelle Photonenspektroskopie verschafft uns seit rund zwei Jahrzehnten Einblicke in die Bewegungen von Elektronen in Atomen, Molekülen und Festkörpern in einer zeitlichen Auflösung von Attosekunden. Eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer milliardstel Sekunde. Bisher limitieren lange Messzeiten viele Experimente, besonders dann, wenn bei Elektronen, deren Energie, ihr Impuls und ihr Emissionsort in der Materie erkundet werden soll. Denn Elektronen stoßen sich gegenseitig ab. Und für präzise Messungen, möchte man nur wenige Elektronen pro Laserschuss aus der Probe lösen.

Forscherinnen und 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 im Projekt MEGAS (»Megahertz-Attosekundenpulse zur ultraschnellen Photoelektronenmikroskopie«) erstmals ein Photoelektronenspektrometer entwickelt, dass nicht im Kilohertz-Bereich, sondern bei 18 Megahertz arbeitet. Das heißt: Es treffen mehrere Tausend Mal mehr Pulse auf die Oberfläche als in herkömmlichen Spektro­metern. Das wirkt sich drastisch auf die Zeit aus, die für eine solche Messung benötigt wird. »Messungen, die vorher fünf Stunden gedauert haben, führen wir nun in zehn Sekunden durch«, sagt Dr. Oliver de Vries, Wissenschaftler am Fraun­hofer IOF.

Das entwickelte Spektrometer besteht aus drei Hauptkom­ponenten: Dem Ultrakurzpuls-Lasersystem, 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 – steigern sie also auf das Millionenfa­che. Zum anderen ver­kürzen sie die Pulse in einem 2-stufigen Prozess. Dazu wenden die Forscher zwei Tricks an: Zunächst schicken sie den Laserstrahl wahlweise durch einen Festkörper oder eine mit Gas gefüllte Kapillare (siehe Abb. 1), was das Spektrum verbreitert und damit die Pulse letztlich auf 30 Femtosekunden verkürzt. In einer Vakuumkammer werden sie anschließend in einem Resonator überlagert, um die Pulsspitzenleistung um ein tausendfaches zu erhöhen. Diese intensiven Femtosekunden-Pulse lässt man nun mit Argon Atomen interagieren, was zur Abstrahlung von Attosekundenpulsen hoher Energie (25–60 eV) führt.

Der Prototyp des Photoelektronenspektrometers ist fertig, er befindet sich am Garchinger Max-Planck-Institut. Dort wird er derzeit für Untersuchungen genutzt, z.B. für künftige Anwendungen in der Materialforschung und in der Informationsverarbeitung mit Lichtwellen.

Weitere Informationen