Elektronespektrometer dekrypterer kvantemekaniske virkninger

Elektroniske kredsløb miniaturiseres i en sådan grad, at kvantemekaniske effekter bliver mærkbare. Brug af fotoelektronspektrometre, solid-state fysikere og materialeudviklere kan opdage mere om sådanne elektronbaserede processer. Fraunhofer -forskere har hjulpet med at revolutionere denne teknologi med et nyt spektrometer, der fungerer i megahertz -området.

Vores vision er begrænset til den makroskopiske verden. Hvis vi ser på et objekt, vi ser blot dens overflade. På nanoskala, ting ville se meget anderledes ud. Dette er en verden af ​​atomer, elektroner og elektronbånd, hvor kvantemekanikkens love holder styr. At undersøge disse mindste byggesten i sagen nærmere er en meget interessant vej for solid-state fysikere og materialeudviklere-som dem, der arbejder på elektroniske kredsløb, som i nogle tilfælde er så miniaturiserede, at kvantemekaniske effekter bliver mærkbare.

Fotoelektronspektroskopi åbner et vindue på atomer sammen med deres energitilstande og deres elektroner. Princippet kan beskrives som følger:Ved hjælp af en laser, du skyder højenergifotoner (lyspartikler) på overfladen af ​​objektet, der skal undersøges-et elektronisk kredsløb, for eksempel. Højenergilyset slår elektroner ud af atombindingen. Afhængigt af hvor dybt elektronerne er placeret i atomet - eller mere præcist, hvilket energibånd de er i - de når detektoren på et før eller senere tidspunkt. Analyse af den tid, det tager elektroner at nå detektoren, materialeudviklere kan drage slutninger om energibåndene i elektronbåndene og strukturen af ​​atombindinger i det faste stof. Ligesom i et løb, alle elektronerne skal starte på samme tid - ellers løbet kan ikke analyseres. Denne form for samtidig start kan kun opnås ved hjælp af en pulserende laserstråle. Kort sagt:Du skyder laseren på overfladen, se på, hvad der er frigivet - og skyd igen. Normalt arbejder laserne i kilohertz -området, hvilket betyder, at de udsender et par tusinde laserlysimpulser i sekundet.

Problemet er, at hvis du sætter for mange elektroner fri samtidigt med en puls, de afviser hinanden - hvilket gør det umuligt at måle dem. Så du skruer ned for laserens effekt. For ikke desto mindre at kunne måle nok elektroner til en pålidelig prøve, du skal sørge for passende lange måltider. Men nogle gange er dette ikke muligt, da prøverne og strålekildeparametrene ikke kan holdes tilstrækkeligt stabile over så lang en periode. Nedskæring af måltider fra fem timer til ti sekunder.

Forskere ved Fraunhofer Institutes for Applied Optics and Precision Engineering IOF og for Laser Technology ILT har arbejdet sammen med deres jævnaldrende fra Max Planck Institute of Quantum Optics for at udvikle verdens første fotoelektronspektrometer, der ikke fungerer i kilohertz -området, men ved 18 megahertz. Det betyder, at flere tusinde gange flere pulser rammer overfladen end med konventionelle spektrometre. Dette har en dramatisk effekt på måltider. "Visse målinger plejede at tage fem timer; vi kan nu gennemføre dem på ti sekunder, "siger Dr. Oliver de Vries, videnskabsmand ved Fraunhofer IOF.

Forstærkning og forkortelse af laserpulser

Spektrometeret består af tre hovedkomponenter:et ultrahurtigt lasersystem, en forbedringsresonator og et prøvekammer med selve spektrometeret. Som den første laser, forskerne bruger en fasestabil titanium-safirlaser. De ændrer sin laserstråle i den første komponent:ved hjælp af forforstærkere og forstærkere, de øger effekten fra 300 mikrowatt til 110 watt - en million gange stigning. Ud over, de forkorter pulsen. At gøre dette, de bruger et trick, hvorved laserstrålen skydes adskillige gange gennem et solidt, som udvider spektret. Hvis du derefter sætter disse nyoprettede frekvenskomponenter i pulsen sammen igen - det vil sige, hvis du kombinerer alle frekvenser på en fasekorrekt måde-forkorter du pulsens varighed. "Selvom denne metode allerede var kendt på forhånd, det var ikke muligt før nu at komprimere den pulsenergi, vi har brug for her, "siger Dr. Peter Rußbüldt, gruppechef hos Fraunhofer ILT.

Forøgelse af fotonergien

Pulslængden af ​​laserlyset, der forlader den første komponent, er allerede meget kort. Imidlertid, energien af ​​dets fotoner er endnu ikke tilstrækkelig til at slå elektroner ud af det faste stof. I den anden komponent, forskerne øger derfor fotonenergien og forkorter laserstrålernes pulsvarighed igen i en resonator. Spejle styrer laserlyset rundt i en cirkel flere hundrede gange inde i resonatoren. Hver gang lyset passerer udgangspunktet igen, frisk laserstråling fra den første komponent overlejres på den - og dette gøres på en sådan måde, at de to stråles magt lægges sammen. Flasket op i resonatoren, denne stråling når så stærke intensiteter, at der sker noget fantastisk i en gasstråle-højenergi attosekund XUV-pulser genereres med mange gange laserstrålens frekvens.

Forskerne ved Fraunhofer ILT bruger et andet trick til at få de højenergiske attosekund-XUV-pulser tilbage fra resonatoren. "Vi har udviklet et specielt spejl, der ikke kun tåler den høje effekt, men har også et lille hul i midten, "forklarer Rußbüldt. Bundtet af højharmoniske stråler-som laserstrålerne med høj energi kaldes-genereret af processen er mindre end de andre bølger, der cirkulerer. Mens lysstrålerne med lavere energi fortsætter med at ramme spejlet og blive styrede rundt i en cirkel, det højenergiske bundt af stråler er så tyndt og smalt, at det glider gennem hullet i midten af ​​spejlet, forlader den anden komponent og afbøjes til prøvekammeret inde i den tredje komponent.

Prototypen af ​​fotoelektronspektrometeret er fuldført. Det er placeret på Max Planck Institute i Garching, hvor det bruges til eksperimenter og optimeres med samarbejde fra Fraunhofer -forskere.