Neue Analysemethode für Nano- und Quantenmaterialien
Per Elektronenmikroskopie lassen sich ultraschnelle Filme von Nano-Prozessen erstellen.
Vorgänge auf der Nanoskala laufen hingegen im Femtosekunden-Bereich ab: Nur Milliardstel-Sekunden braucht zum Beispiel ein Elektron, um ein Wasserstoff-Atom zu umkreisen. Physiker in aller Welt forschen mit speziellen Instrumenten daran, solche ultraschnellen Nano-Prozesse in Filmen festzuhalten. Forscher der Uni Kiel haben jetzt eine neue Methode für solche Filme entwickelt. Sie basiert auf einem anderen physikalischen Konzept als bisher und erlaubt damit weitere und präzisere Untersuchungsmöglichkeiten. Dafür kombinierten sie ein Elektronenmikroskop mit nanostrukturierten dünnen Metallschichten, die sehr kurze Lichtpulse erzeugen. So konnten sie in einem ersten Experiment kohärente Wechselwirkungen von Licht und Elektronen in einem Halbleiter filmisch dokumentieren.
Bislang wurden Filme von ultraschnellen Nano-Prozessen in der Regel mit Hochleistungslasern erzeugt, kombiniert mit Elektronenmikroskopen. Doch die großen und komplexen Aufbauten können sich nur wenige Forschungsgruppen leisten. „Unser Konzept für Elektronenmikroskope kommt ohne teure und komplizierte Laser aus und kann leicht nachgebaut werden“, sagt Nahid Talebi von der Uni Kiel.
In Elektronenmikroskopen werden Elektronen zu einem Strahl gebündelt, beschleunigt und auf eine Materialprobe gerichtet. Wie die Elektronen die Probe durchdringen oder von ihr reflektiert werden, lässt Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Materials und die ablaufenden Prozesse im Inneren zu. „Elektronenmikroskope haben eine deutlich bessere räumliche Auflösung als optische Mikroskope und machen Untersuchungen im Nanometerbereich erst möglich“, erläutert Talebi. Mit den speziellen Bauteilen, die sie entwickelt hat, lässt sich auch die zeitliche Auflösung von Elektronenmikroskopen relativ einfach verbessern. So kann sie jetzt sogar ohne Laser ultraschnelle Nano-Prozesse auf der Femtosekunden-Zeitskala filmisch festhalten.
Mit ihrer aktuellen Untersuchung demonstriert Talebi nicht nur, dass ihre Methode funktioniert. Gemeinsam mit Masoud Taleb liefert sie auch den experimentellen Nachweis für kohärente Wechselwirkungen von Photonen und Elektronen in einem Halbleiter, die bisher nur theoretisch beschrieben worden waren. Das dafür genutzte Quantenmaterial Wolfram-Diselenid stammt aus einer Kooperation Kai Rossnagel.
Ein zentraler Baustein von Talebis Konzept ist ein spezielles Nanosieb, das sich in ein Elektronenmikroskop einsetzen lässt und dort wie eine Lichtquelle funktioniert. Trifft ein Elektronenstrahl darauf, erzeugt das Lochmuster zielgerichtete, kurze Lichtpulse, mit denen sich die schnellen Filme erstellen lassen. Dafür bohrten die Forscher in eine dünne Goldfolie winzige Löcher von 25 bis 200 Nanometern Durchmesser. Die Größe und Abstände hatte Talebi exakt berechnet, denn die Lichtpulse entstehen nur bei einem bestimmten Muster. Hergestellt wurden die Nanosiebe in enger Zusammenarbeit mit Mario Hentschel von der Uni Stuttgart. Gemeinsam mit Wissenschaftlern aus Amsterdam hatte Talebi das Elektronenmikroskop vorher so umgebaut, dass es Kathodolumineszenzen aufnehmen kann – Lichtsignale, die entstehen, wenn schnelle Elektronen auf Metall treffen.
In dem Experiment treffen die kurzen Lichtpulse aus den siebartigen Nanostrukturen auf die Wolfram-Diselenid-Probe. Dort regen sie Exzitonen an. Das sind Elektronen, die sich aus einem Atom gelöst haben, aber mit dem dort entstandenen Loch weiterhin in Verbindung stehen. „Wenn kurze Zeit später auch der etwas langsamere Elektronenstrahl auf die Halbleiter-Probe trifft, können wir an der Reaktion der Elektronen ablesen, wie sich die Exzitonen in der Zwischenzeit verhalten haben“, erklärt Talebi. Aus der Überlagerung des Elektronenstrahls und der Lichtpulse entstehen Kathodolumineszenz-Signale, die eine kohärente Wechselwirkung zwischen Elektronen und Photonen zeigen.
Um diese Prozesse in einem Film festhalten zu können, setzten die Forscher schließlich noch einen piezoelektrischen Kristall in den Mikroskopaufbau ein. Damit können sie den räumlichen Abstand zwischen der Lichtquelle und der Untersuchungsprobe präzise verändern und somit auch den zeitlichen Abstand, mit dem der Elektronenstrahl und die Lichtpulse auf die Probe treffen. „Wir können so zu verschiedenen Zeitpunkten des Prozesses Bilder aufnehmen und zu einem Film zusammensetzen“, fasst Talebi zusammen.
An einem Konzept für Femtosekunden-Filme mit dem Elektronenmikroskop, die keinen Laser benötigen, forschte Talebi schon als wissenschaftliche Mitarbeiterin am MPI für Festkörperforschung in Stuttgart. Für ihr Vorhaben, Elektronenmikroskope mit Licht zu kombinieren und so ihre zeitliche Auflösung zu verbessern, erhielt die Physikerin einen ERC-Starting Grant des Europäischen Forschungsrats in Höhe von 1,5 Millionen Euro. Seit 2019 realisiert sie das Projekt in ihrer Arbeitsgruppe Nano-Optik an der Uni Kiel. Das junge Forschungsgebiet beschäftigt sich unter anderem mit den Wechselwirkungen von Licht und Materie im Nanobereich. Ein besseres Verständnis davon hat zum Beispiel bereits besonders effiziente Quanten-Lichtquellen ermöglicht, mit denen sich in optischen Schaltkreisen verschlüsselte Informationen sicher übertragen lassen.
CAU Kiel / RK
