Neues Licht am Ende des Tunnels
Wissenschaftler haben die Energie infraroter Laserpulse mit einem Nanotrichter so konzentriert, dass ultrakurze, extrem ultraviolette Lichtpulse entstanden.
Mit einem Nanotrichter aus Silber hat ein internationales Forscherteam vom Korea Advanced Institute of Science and Technology (Kaist) in Daejeon, dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching und der Georgia State University in Atlanta Lichtwellen modifiziert. Die Wissenschaftler wandelten dabei Femtosekunden-Laserpulse vom infraroten Spektrum in extrem ultraviolette Femtosekunden-Lichtblitze um. Kurz gepulstes ultraviolettes Licht wird in der Laserphysik verwendet, um das Innenleben von Atomen und Molekülen zu erkunden.
Abb.: Infrarotes Laserlicht (Rot) wird in den mit Xenon (Grün) gefüllten Nanotrichter fokussiert. Die Oberflächen-Plasmonen-Polaritonen (Blau) konzentrieren sich nahe der Spitze. EUV-Licht (Violett) wird mittels der verstärkten Felder in Xe generiert und verlässt den Trichter durch die schmale Öffnung. Das infrarote Licht kann die schmale Öffnung nicht passieren und wird zurückgeworfen. (Bild: Christian Hackenberger)
Die Erzeugung Höherer Harmonischer kann Infrarotlicht zu Extrem-Ultraviolett-Wellenlängen konvertieren: Man setzt dazu Atome extrem starken elektrischen Feldern von IR-Laserpulsen aus. Die Feldstärke muss über die Bindungskräfte der Elektronen im Atom hinaus reichen. Erst dann können Elektronen aus den Atomen herausgelöst und anschließend mit voller Kraft wieder in Richtung des Atoms beschleunigt werden. Dabei entsteht sehr energiereiche Strahlung im EUV-Spektralbereich.
Um elektrische Felder mit der entsprechenden Stärke zu generieren, 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. Gefüllt war er 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 dessen bewirkten die elektromagnetischen Felder der Lichtpulse Dichteschwankungen der Elektronen an seinen Innenseiten: 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 – Oberflächen-Plasmonen-Polaritonen. Die Oberflächen-Plasmonen-Polaritonen bewegten sich bis zur Spitze des Trichters, wobei seine konische Form eine Konzentration mit einer Erhöhung der Polaritonen-Feldstärke bewirkte. Das Feld war dann einige hundertmal stärker als das Feld des eingestrahlten Laserlichtes und erzeugte so EUV-Licht im Xenongas.
Der Nanofilter hat noch eine weitere Funktion. Sein winziger Durchlass dient als „Türsteher“ für Lichtwellen. Ist eine Öffnung kleiner als die halbe Wellenlänge, bleibt es auf der anderen Seite dunkel. Die 100 Nanometer große Öffnung des Trichters ließ daher einfallendes infrarotes Licht bei 800 Nanometern nicht passieren. Die EUV-Pulse mit Wellenlängen bis hinunter zu 20 Nanometer durchquerten dagegen die Öffnung problemlos.
Mit Attosekunden-Lichtblitzen kann man die Bewegung von Elektronen untersuchen. Jedoch lassen sie sich in der Regel mit der gängigen Technik nur einige Tausend Mal 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“, sagt Matthias Kling, Gruppenleiter am MPQ. „Mit diesen Pulszügen sollten erstmals Experimente mit einer Attosekunden-Zeitauflösung bei extrem hoher Wiederholrate möglich sein.“
Die Wiederholrate ist beispielsweise bei der Elektronenspektroskopie mit EUV-Pulsen an Oberflächen entscheidend. Elektronen stoßen sich gegenseitig aufgrund der Coulombkräfte ab. Deshalb ist es in manchen Experimenten nötig, nur ein Elektron pro Laserschuss zu erzeugen. Bei niedriger Wiederholrate braucht man entsprechend lange Aufnahmezeiten, um die gewünschte Auflösung zu erreichen. Die 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 / MPQ / PH
