Ein internationales Wissenschaftler-Team hat die Energie infraroter
Laserpulse mit einem Nanotrichter so konzentriert, dass damit
ultrakurze, extrem ultraviolette Lichtpulse erzeugt wurden, die sich 75
Millionen Mal in der Sekunde wiederholten.
Wer in der Küche Flüssigkeiten ohne sie zu verschütten
umfüllen will, der weiß einen Trichter zu schätzen.
Doch nicht nur beim Kochen sind Trichter nützliche Utensilien,
auch Licht kann mit Trichtern gebündelt werden. Allerdings
müssen die Trichter dafür bis zu 10.000-mal kleiner sein.
Einem internationalen Forscherteam vom Korea Advanced Institute of
Science and Technology (KAIST) in Daejeon (Korea), dem
Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching
(Deutschland) und der Georgia State University (GSU) in Atlanta (USA)
ist es nun gelungen, die Energie infraroter Laserpulse in einem
Nanotrichter so zu bündeln, dass damit Lichtblitze im extremen
ultravioletten Spektralbereich erzeugt werden können. Die Blitze,
die sich 75 Millionen Mal pro Sekunde wiederholten, dauerten nur wenige
Femtosekunden. Die neue Technologie könnte künftig helfen,
die Bewegungen von Elektronen mit höchster räumlicher und
zeitlicher Auflösung zu erfassen (Nature Photonics, 16.10.2011).
Licht ist wandelbar. Seine Wellenlängen können sich
verändern, wenn sie auf Materie treffen. Dabei sind sowohl das
Material wie auch die Form des Materials entscheidend. Mit einem
Nanotrichter aus Silber hat nun ein internationales Forscherteam vom
Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), dem
Max-Planck Institut für Quantenoptik (MPQ) und der Georgia-State
University (GSU) Lichtwellen modifiziert. Die Wissenschaftler wandelten
dabei Femtosekunden-Laserpulse vom infraroten Spektrum in extrem
ultraviolette Femtosekunden-Lichtblitze um. Kurz gepulstes
ultraviolettes Licht (EUV) wird in der Laserphysik verwendet, um das
Innenleben von Atomen und Molekülen zu erkunden. Eine Femtosekunde
dauert dabei ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde.
Infrarotes Licht (IR) kann zu Wellenlängen im EUV-Spektralbereich
durch einen Prozess, der als Hohe-Harmonischen Erzeugung bekannt ist,
konvertiert werden: Man setzt Atome extrem starken elektrischen Feldern
von IR-Laserpulsen aus. Die Felder müssen eben so stark sein wie
die Stärke der Felder, die das Atom zusammenhalten. Erst dann
können Elektronen aus den Atomen herausgelöst und
anschließend mit voller Kraft wieder in Richtung des Atoms
beschleunigt werden. Dabei entsteht die sehr energiereiche Strahlung im
EUV-Spektrum.
Um die notwendigen elektrischen Felder zur Produktion des EUV-Lichts zu
erreichen, hat das Forscherteam dieses Prinzip mit einem Nanotrichter
kombiniert. Mit ihm wird das elektrische Feld des Lichtes konzentriert.
Damit haben die Forscher eine lichtstarke EUV-Quelle für
Wellenlängen bis zu 20 Nanometer gebaut. Diese Lichtquelle
verfügt über eine bisher nicht erreichte Wiederholungsrate:
Die nur wenige Femtosekunden dauernden EUV-Lichtblitze leuchten dabei
75 Millionen Mal in der Sekunde auf.
Herzstück des Versuchs war ein winziger, einige Mikrometer langer,
leicht elliptischer Trichter aus Silber, dessen schmale Öffnung
nur rund 100 Nanometer breit ist (siehe Abb. 1). Gefüllt war der
Trichter mit Xenon-Edelgasatomen. In den breiteren Teil des Trichters
schickten die Forscher die infraroten Laserpulse. Die Lichtpulse
wanderten durch den Trichter in Richtung seiner winzigen Öffnung.
Während ihrer Reise bewirkten die elektromagnetischen Felder der
Lichtpulse Dichteschwankungen der Elektronen an den Innenseiten des
Trichters. Das heißt: Ein kurzer Abschnitt an den
Metallwänden war positiv geladen, der nächste wieder negativ.
Dadurch bildeten sich entlang der Innenseite des Trichters neue,
elektromagnetische Felder aus, die
Oberflächen-Plasmonen-Polaritonen genannt werden. Die
Oberflächen-Plasmonen-Polaritonen wandern bis zur Spitze des
Trichters, wobei die konische Form des Trichters eine Konzentration mit
einer Erhöhung ihrer Feldstärke bewirkt. „Das Feld
innerhalb des Trichters wird dabei einige hundertmal stärker als
das Feld des eingestrahlten Laserlichtes und bewirkt so die Erzeugung
von EUV-Licht in dem Xenongas“, erläutert Prof. Mark
Stockman von der GSU.
Der Nanofilter hat noch eine weitere Funktion. Sein winziger Durchlass
dient als „Türsteher“ für
Licht-Wellenlängen. Nicht jede Öffnung ist für Licht
passierbar. Ist die Öffnung kleiner als eine halbe
Wellenlänge, bleibt es auf der anderen Seite dunkel. Die 100
Nanometer große Öffnung des Trichters ließ daher kein
einfallendes infrarotes Licht bei 800 Nanometer durch. Die erzeugten
EUV Pulse mit Wellenlängen bis hinunter zu 20 Nanometer passieren
dagegen die Öffnung problemlos. „Der Trichter wirkt
zusätzlich als effizienter Wellenlängenfilter, an dessen
Spitze nur das EUV Licht austritt“, erklärt Prof. Seung-Woo
Kim vom KAIST, an dem die Experimente durchgeführt wurden.
„Extrem-Ultraviolette Lichtpulse sind aufgrund ihrer kurzen
Wellenlänge und potentiell kurzen Pulsdauer, die den Attosekunden
Bereich erreichen kann, ein wichtiges Werkzeug bei der Erforschung von
Elektronenbewegungen in Atomen, Molekülen und
Festkörpern“, erläutert Seung-Woo Kim weiter.
Elektronen bewegen sich innerhalb von Attosekunden (eine Attosekunde
ist ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde). Wenn man sie
aufzeichnen will, muss man ebenso kurze Lichtblitze verwenden.
Attosekunden-Lichtblitze sind heute ein gängiges Werkzeug für
die Erforschung von Elektronen. Jedoch lassen sie sich in der Regel mit
der gängigen Technik nur einige tausendmal in der Sekunde
wiederholen. Das ändert sich mit dem Nanotrichter. „Wir
vermuten, dass die insgesamt einige Femtosekunden dauernde Lichtblitze
aus Zügen von Attosekunden Pulsen bestehen“, führt
Matthias Kling, Gruppenleiter am MPQ, aus. „Mit diesen
Pulszügen sollten erstmals Experimente mit einer
Attosekunden-Zeitauflösung bei extrem hoher Wiederholrate
möglich sein.“
Die Wiederholrate ist entscheidend z.B. bei der Anwendung der EUV-Pulse
für die Elektronenspektroskopie an Oberflächen. Elektronen
stoßen sich gegenseitig aufgrund der Coulombkräfte ab. Dies
macht es teils in Experimenten nötig, dass nur ein Elektron pro
Laserschuss erzeugt wird. Bei niedriger Wiederholrate wären dann
lange Aufnahmezeiten nötig, um eine entsprechende Auflösung
zu erreichen. „Um Experimente mit hoher räumlicher und
zeitlicher Auflösung innerhalb kurzer Zeit durchzuführen,
wird eine hohe Wiederholrate benötigt“, erläutert
Kling. Die geschickte Kombination aus Lasertechnik und Nanotechnologie
könnte künftig helfen, Filme ultraschneller
Elektronenbewegungen auf Oberflächen mit bisher unerreichter
zeitlicher und räumlicher Auflösung im
Attosekunden-Nanometer-Bereich aufzunehmen. [Thorsten Naeser]
Originalveröffentlichung:
In-Yong Park, Seungchul Kim, Joonhee Choi, Dong-Hyub Lee, Young-Jin Kim, Matthias F. Kling, Mark I. Stockman & Seung-Woo Kim
Plasmonic generation of ultrashort extreme-ultraviolet light pulses
Nature Photonics, 16.10.2011, Doi: 10.1038/NPHOTON.2011.258Zusätzliches Material zur Attosekunden-Physik unter
http://www.attoworld.de
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