I circuiti elettronici sono miniaturizzati a tal punto che gli effetti della meccanica quantistica diventano evidenti. Utilizzando spettrometri fotoelettronici, i fisici dello stato solido e gli sviluppatori di materiali possono scoprire di più su tali processi basati sugli elettroni. I ricercatori Fraunhofer hanno contribuito a rivoluzionare questa tecnologia con un nuovo spettrometro che funziona nell'intervallo dei megahertz.

La nostra visione è limitata al mondo macroscopico. Se osserviamo un oggetto, ne vediamo solo la superficie. Alla nanoscala, le cose sembrerebbero molto diverse. Questo è un mondo di atomi, elettroni e bande elettroniche, in cui prevalgono le leggi della meccanica quantistica. Indagare più da vicino questi più piccoli elementi costitutivi della materia è una strada molto interessante per i fisici dello stato solido e gli sviluppatori di materiali, come quelli che lavorano su circuiti elettronici, che sono così miniaturizzati in alcuni casi che gli effetti della meccanica quantistica diventano evidenti.

La spettroscopia fotoelettronica apre una finestra sugli atomi insieme ai loro stati energetici e ai loro elettroni. Il principio può essere descritto come segue:utilizzando un laser, si sparano fotoni ad alta energia (particelle di luce) sulla superficie dell'oggetto allo stato solido da indagare:un circuito elettronico, ad esempio. La luce ad alta energia espelle gli elettroni dal legame atomico. A seconda di quanto in profondità si trovano gli elettroni nell'atomo, o più precisamente, in quale banda di energia si trovano:prima o poi raggiungono il rilevatore. Analizzando il tempo impiegato dagli elettroni per raggiungere il rivelatore, gli sviluppatori di materiali possono trarre deduzioni sugli stati energetici delle bande di elettroni e sulla struttura dei legami atomici nel solido. Proprio come in una gara, tutti gli elettroni devono partire contemporaneamente, altrimenti la razza non può essere analizzata. Questo tipo di avvio simultaneo può essere ottenuto solo utilizzando un raggio laser pulsato. In parole povere:spari il laser sulla superficie, guarda cosa è stato rilasciato e spara di nuovo. Di solito i laser funzionano nella gamma dei kilohertz, il che significa che emettono qualche migliaio di impulsi di luce laser al secondo.

Il problema è che se liberi troppi elettroni contemporaneamente con un impulso, si respingono a vicenda, rendendo impossibile misurarli. Quindi abbassi la potenza del laser. Per essere comunque in grado di misurare abbastanza elettroni per un campione affidabile, è necessario predisporre tempi di misurazione adeguatamente lunghi. Ma a volte questo non è fattibile, poiché i campioni e i parametri della sorgente del fascio non possono essere mantenuti sufficientemente stabili per un periodo così lungo. Tempi di misurazione ridotti da cinque ore a dieci secondi.

I ricercatori degli Istituti Fraunhofer per l'ottica applicata e l'ingegneria di precisione IOF e per la tecnologia laser ILT hanno lavorato insieme ai colleghi del Max Planck Institute of Quantum Optics per sviluppare il primo spettrometro fotoelettronico al mondo che non funziona nella gamma dei kilohertz, ma a 18 megahertz. Ciò significa che diverse migliaia di volte più impulsi colpiscono la superficie rispetto agli spettrometri convenzionali. Questo ha un effetto drammatico sui tempi di misurazione. "Certe misurazioni richiedevano cinque ore; ora possiamo completarle in dieci secondi, "dice il dottor Oliver de Vries, scienziato presso Fraunhofer IOF.

Amplificazione e accorciamento degli impulsi laser

Lo spettrometro è costituito da tre componenti principali:un sistema laser ultraveloce, un risonatore di potenziamento e una camera di campionamento con lo spettrometro stesso. Come il laser iniziale, i ricercatori utilizzano un laser in titanio-zaffiro a fase stabile. Cambiano il suo raggio laser nel primo componente:per mezzo di preamplificatori e amplificatori, aumentano la potenza da 300 microwatt a 110 watt, un aumento di un milione di volte. Inoltre, accorciano gli impulsi. Per fare questo, usano un trucco per cui il raggio laser viene sparato mille volte attraverso un solido, che amplia lo spettro. Se poi rimetti insieme queste componenti di frequenza appena create dell'impulso - cioè, se si combinano tutte le frequenze in modo corretto di fase, si riduce la durata dell'impulso. "Sebbene questo metodo fosse già noto in anticipo, non è stato possibile fino ad ora comprimere l'energia dell'impulso di cui abbiamo bisogno qui, " dice il dottor Peter Rußbüldt, responsabile del gruppo presso Fraunhofer ILT.

Aumentare l'energia del fotone

La durata dell'impulso della luce laser in uscita dal primo componente è già molto breve. Però, l'energia dei suoi fotoni non è ancora sufficiente per far fuoriuscire gli elettroni dal solido. Nella seconda componente, i ricercatori quindi aumentano l'energia del fotone e accorciano ancora una volta la durata dell'impulso dei raggi laser in un risonatore. Gli specchi dirigono la luce laser in cerchio diverse centinaia di volte all'interno del risonatore. Ogni volta che la luce passa di nuovo dal punto di partenza, Su di esso viene sovrapposta una nuova radiazione laser proveniente dal primo componente, in modo tale da sommare la potenza dei due raggi. Imbottigliato nel risonatore, questa radiazione raggiunge intensità così potenti che in un getto di gas accade qualcosa di straordinario:vengono generati impulsi XUV ad attosecondi ad alta energia con molte volte la frequenza del raggio laser.

I ricercatori del Fraunhofer ILT usano un altro trucco per far uscire dal risonatore gli impulsi XUV ad attosecondi ad alta energia. "Abbiamo sviluppato uno specchio speciale che non solo resiste all'elevata potenza, ma ha anche un minuscolo foro al centro, " spiega Rußbüldt. Il fascio di raggi ad alta armonia – come vengono chiamati i raggi laser ad alta energia – generato dal processo è più piccolo delle altre onde che circolano. Mentre i raggi di luce a bassa energia continuano a colpire lo specchio ed essere girava in tondo, il fascio di raggi ad alta energia è così sottile e stretto che scivola attraverso il foro al centro dello specchio, esce dal secondo componente e viene deviato nel vano campione all'interno del terzo componente.

Il prototipo dello spettrometro fotoelettronico è stato completato. Si trova presso il Max Planck Institute di Garching, dove viene utilizzato per esperimenti e ottimizzato con la collaborazione dei ricercatori Fraunhofer.