Elektroniska kretsar är miniatyriserade till en sådan grad att kvantmekaniska effekter blir märkbara. Med hjälp av fotoelektronspektrometrar, Fasta tillståndsfysiker och materialutvecklare kan upptäcka mer om sådana elektronbaserade processer. Fraunhofer-forskare har hjälpt till att revolutionera denna teknik med en ny spektrometer som fungerar i megahertzområdet.

Vår vision är begränsad till den makroskopiska världen. Om vi ​​tittar på ett föremål, vi ser bara dess yta. På nanoskala, saker och ting skulle se väldigt annorlunda ut. Detta är en värld av atomer, elektroner och elektronband, där kvantmekanikens lagar råder. Att undersöka dessa minsta byggstenar av materia närmare är en mycket intressant väg för fasta tillståndsfysiker och materialutvecklare – som de som arbetar med elektroniska kretsar, som i vissa fall är så miniatyriserade att kvantmekaniska effekter blir märkbara.

Fotoelektronspektroskopi öppnar ett fönster på atomer tillsammans med deras energitillstånd och deras elektroner. Principen kan beskrivas på följande sätt:Med hjälp av en laser, du skjuter högenergifotoner (ljuspartiklar) på ytan av det fasta tillståndsobjektet som ska undersökas – en elektronisk krets, till exempel. Det högenergiljuset slår ut elektroner ur atombindningen. Beroende på hur djupt elektronerna finns i atomen – eller mer exakt, vilket energiband de befinner sig i – de når detektorn vid ett förr eller senare tillfälle. Analysera den tid det tar elektroner att nå detektorn, materialutvecklare kan dra slutsatser om energitillstånden för elektronbanden och strukturen hos atombindningarna i det fasta ämnet. Precis som i ett lopp, alla elektroner måste starta samtidigt – annars, loppet kan inte analyseras. Denna typ av samtidig start kan endast uppnås genom att använda en pulsad laserstråle. Enkelt uttryckt:Du skjuter lasern på ytan, titta på vad som har släppts – och skjut igen. Vanligtvis arbetar lasrarna i kilohertzområdet, vilket innebär att de sänder ut några tusen laserljuspulser per sekund.

Problemet är att om du släpper för många elektroner samtidigt med en puls, de stöter bort varandra – vilket gör det omöjligt att mäta dem. Så du sänker kraften på lasern. För att ändå kunna mäta tillräckligt med elektroner för ett tillförlitligt prov, du måste ordna med lagom långa mättider. Men ibland är det inte möjligt, eftersom proverna och strålkällans parametrar inte kan hållas tillräckligt stabila under en så lång period. Skär ned mättider från fem timmar till tio sekunder.

Forskare vid Fraunhofer Institutes for Applied Optics and Precision Engineering IOF och för Laser Technology ILT har arbetat tillsammans med sina kamrater från Max Planck Institute of Quantum Optics för att utveckla världens första fotoelektronspektrometer som inte fungerar i kilohertzområdet, men på 18 megahertz. Det betyder att flera tusen gånger fler pulser träffar ytan än med konventionella spektrometrar. Detta har en dramatisk effekt på mättiderna. "Vissa mätningar tog förr fem timmar, vi kan nu slutföra dem på tio sekunder, " säger Dr Oliver de Vries, forskare vid Fraunhofer IOF.

Förstärkning och förkortning av laserpulser

Spektrometern består av tre huvudkomponenter:ett ultrasnabbt lasersystem, en förstärkningsresonator och en provkammare med själva spektrometern. Som den första lasern, forskarna använder en fasstabil titan-safir-laser. De ändrar dess laserstråle i den första komponenten:med hjälp av förförstärkare och förstärkare, de ökar effekten från 300 mikrowatt till 110 watt – en miljonfaldig ökning. Dessutom, de förkortar pulserna. Att göra detta, de använder ett trick där laserstrålen skjuts flera gånger genom en solid, som vidgar spektrumet. Om du sedan sätter ihop dessa nyskapade frekvenskomponenter i pulsen igen – dvs. om du kombinerar alla frekvenser på ett faskorrekt sätt – förkortar du pulslängden. "Även om denna metod redan var känd i förväg, det var inte möjligt förrän nu att komprimera pulsenergin som vi behöver här, " säger Dr Peter Rußbüldt, gruppchef på Fraunhofer ILT.

Öka fotonenergin

Pulslängden för laserljuset som lämnar den första komponenten är redan mycket kort. Dock, energin hos dess fotoner är ännu inte tillräcklig för att slå ut elektroner ur det fasta ämnet. I den andra komponenten, forskarna ökar därför fotonenergin och förkortar laserstrålarnas pulslängd ännu en gång i en resonator. Speglar styr laserljuset runt i en cirkel flera hundra gånger inuti resonatorn. Varje gång ljuset passerar startpunkten igen, ny laserstrålning från den första komponenten överlagras på den – och detta görs på ett sådant sätt att effekten av de två strålarna adderas. Buteljerat i resonatorn, denna strålning når så kraftfulla intensiteter att något häpnadsväckande händer i en gasstråle – högenergi-attosekunds XUV-pulser genereras med många gånger frekvensen av laserstrålen.

Forskarna vid Fraunhofer ILT använder ett annat knep för att få tillbaka de högenergiska attosekunds XUV-pulserna ur resonatorn. "Vi har utvecklat en speciell spegel som inte bara tål den höga effekten, men har också ett litet hål i mitten, " förklarar Rußbüldt. Bunten av högharmoniska strålar – som högenergilaserstrålarna kallas – som genereras av processen är mindre än de andra vågorna som cirkulerar. Medan ljusstrålarna med lägre energi fortsätter att träffa spegeln och vara styrde runt i en cirkel, det högenergiknippet av strålar är så tunt och smalt att det glider genom hålet i mitten av spegeln, lämnar den andra komponenten och böjs in i provfacket inuti den tredje komponenten.

Prototypen av fotoelektronspektrometern har färdigställts. Det är beläget på Max Planck Institute i Garching, där den används för experiment och optimeras i samarbete med Fraunhofer-forskare.