Los circuitos electrónicos están miniaturizados hasta tal punto que los efectos de la mecánica cuántica se hacen notorios. Usando espectrómetros de fotoelectrones, Los físicos del estado sólido y los desarrolladores de materiales pueden descubrir más sobre estos procesos basados ​​en electrones. Los investigadores de Fraunhofer han ayudado a revolucionar esta tecnología con un nuevo espectrómetro que funciona en el rango de megahercios.

Nuestra visión se limita al mundo macroscópico. Si miramos un objeto, simplemente vemos su superficie. A nanoescala, las cosas parecerían muy diferentes. Este es un mundo de átomos electrones y bandas de electrones, en el que prevalecen las leyes de la mecánica cuántica. Investigar más de cerca estos pequeños componentes básicos de la materia es una vía muy interesante para los físicos del estado sólido y los desarrolladores de materiales, como los que trabajan en circuitos electrónicos, que están tan miniaturizados en algunos casos que los efectos de la mecánica cuántica se hacen notorios.

La espectroscopia de fotoelectrones abre una ventana sobre los átomos junto con sus estados de energía y sus electrones. El principio se puede describir de la siguiente manera:Usando un láser, disparas fotones de alta energía (partículas de luz) sobre la superficie del objeto de estado sólido que se va a investigar:un circuito electrónico, por ejemplo. La luz de alta energía expulsa electrones del enlace atómico. Dependiendo de la profundidad de los electrones en el átomo, o más precisamente, en qué banda de energía se encuentran:llegan al detector más tarde o más temprano. Analizando el tiempo que tardan los electrones en llegar al detector, los desarrolladores de materiales pueden hacer inferencias sobre los estados de energía de las bandas de electrones y la estructura de los enlaces atómicos en el sólido. Como en una carrera todos los electrones deben comenzar al mismo tiempo; de lo contrario, la carrera no se puede analizar. Este tipo de inicio simultáneo solo se puede lograr mediante el uso de un rayo láser pulsado. En pocas palabras:dispara el láser a la superficie, mira lo que se ha lanzado y dispara de nuevo. Por lo general, los láseres funcionan en el rango de kilohercios, lo que significa que emiten unos miles de pulsos de luz láser por segundo.

El problema es que si libera demasiados electrones simultáneamente con un pulso, se repelen entre sí, por lo que es imposible medirlos. Así que bajas la potencia del láser. Sin embargo, para poder medir suficientes electrones para una muestra confiable, necesita disponer de tiempos de medición suficientemente largos. Pero a veces esto no es factible, ya que las muestras y los parámetros de la fuente del haz no pueden mantenerse suficientemente estables durante un período tan largo. Reducción de los tiempos de medición de cinco horas a diez segundos.

Investigadores de los Institutos Fraunhofer de Óptica Aplicada e Ingeniería de Precisión IOF y de Tecnología Láser ILT han trabajado junto con sus pares del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica para desarrollar el primer espectrómetro de fotoelectrones del mundo que no funciona en el rango de kilohercios. pero a 18 megahercios. Esto significa que varios miles de veces más pulsos golpean la superficie que con los espectrómetros convencionales. Esto tiene un efecto dramático en los tiempos de medición. "Algunas mediciones solían tomar cinco horas; ahora podemos completarlas en diez segundos, "dice el Dr. Oliver de Vries, científico de Fraunhofer IOF.

Amplificación y acortamiento de pulsos láser.

El espectrómetro consta de tres componentes principales:un sistema láser ultrarrápido, un resonador de mejora y una cámara de muestra con el propio espectrómetro. Como láser inicial, los investigadores utilizan un láser de zafiro y titanio de fase estable. Cambian su rayo láser en el primer componente:mediante preamplificadores y amplificadores, aumentan la potencia de 300 microvatios a 110 vatios, un aumento de un millón de veces. Además, acortan los pulsos. Para hacer esto, utilizan un truco mediante el cual el rayo láser se dispara incontables veces a través de un sólido, que amplía el espectro. Si luego vuelve a juntar estos componentes de frecuencia del pulso recién creados, es decir, si combina todas las frecuencias de manera correcta en fase, acorta la duración del pulso. "Aunque este método ya se conocía de antemano, hasta ahora no era posible comprimir la energía de pulso que necesitamos aquí, "dice el Dr. Peter Rußbüldt, gerente de grupo en Fraunhofer ILT.

Incrementando la energía de los fotones

La duración del pulso de la luz láser que sale del primer componente ya es muy corta. Sin embargo, la energía de sus fotones aún no es suficiente para eliminar electrones del sólido. En el segundo componente, por lo tanto, los investigadores aumentan la energía de los fotones y acortan la duración del pulso de los rayos láser una vez más en un resonador. Los espejos dirigen la luz láser en círculos varios cientos de veces dentro del resonador. Cada vez que la luz pasa de nuevo por el punto de partida, La radiación láser fresca del primer componente se superpone a él, y esto se hace de tal manera que se suma la potencia de los dos rayos. Embotellado en el resonador esta radiación alcanza intensidades tan poderosas que sucede algo sorprendente en un chorro de gas:se generan pulsos XUV de attosegundos de alta energía con muchas veces la frecuencia del rayo láser.

Los investigadores de Fraunhofer ILT utilizan otro truco para conseguir que los pulsos XUV de attosegundos de alta energía salgan del resonador. "Hemos desarrollado un espejo especial que no solo resiste la alta potencia, pero también tiene un minúsculo agujero en el centro, "explica Rußbüldt. El haz de rayos de alto armónico - como se llaman los rayos láser de alta energía - generado por el proceso es más pequeño que las otras ondas que están circulando. Mientras que los rayos de luz de baja energía continúan golpeando el espejo y siendo conducido en un círculo, el haz de rayos de alta energía es tan delgado y estrecho que se desliza a través del agujero en el centro del espejo, sale del segundo componente y se desvía hacia el compartimento de muestra dentro del tercer componente.

Se ha completado el prototipo del espectrómetro de fotoelectrones. Está ubicado en el Instituto Max Planck en Garching, donde se utiliza para experimentos y se optimiza con la colaboración de los investigadores de Fraunhofer.