Schnellere Röntgeninterferometer durch Einzelphotoneninterferenz

Rontgeninterferometer konnen Langen im mm-Bereich mit Sub-nm-Auflosung messen, wobei das nahezu perfekte Kristallgitter von hochreinem Silicium als Langenskale genutzt wird. Die Dimensionen beliebiger sub-µm-strukturierter Proben werden dabei mit dem Gitterparameter von Silicium (alpha0~ 0,543… nm) verglichen, der im Projekt zur Neubestimmung der Avogadrokonstanten extrem präzise bestimmt wurde. Für messtechnische Anwendungen im Zusammenhang mit Rastersondenmikroskopen sind solche Messungen von großer Bedeutung.

Einer weiteren Verbreitung dieser Methode standen aber bisher geringe Translationsgeschwindigkeiten von nur 1 nm/s bis 10 nm/s entgegen. Sie sind Folge der begrenzten Intensität typischer Labor-Röntgenquellen: Die notwendige Filterung des periodischen Interferenzsignals führt zu einer Kontrastverminderung, die bei einer klassischen Messung ein langsames Verfahren des Interferometers erforderlich macht.

Quantenmechanisch kommt es aber auch in einem stark „verdünnten“ Strom von Röntgenphotonen zur Interferenz: Als Wellenpaket betrachtet, folgen selbst einzelne Photonen in ihrem zeitlichen Auftreffen auf den Detektor der gleichen Wahrscheinlichkeit, die im Fall ausreichend intensiven Röntgenlichts zu dem kontinuierlichen Signal führt, dessen Periode man bestimmen möchte. Dieser wohlbekannte quantenmechanische Sachverhalt wird nun gezielt ausgenutzt: Protokolliert man die Zeiten, zu denen die einzelnen Photonen auftreffen, kann man durch eine anschließende Fouriertransformation dieser Zeitreihe sehr genau die Frequenz bestimmen, mit der die Gitterperioden durchfahren wurden. Bei konstanter Geschwindigkeit lässt sich damit die Weginformation rekonstruieren und man erhält die gleiche Information wie bei der klassischen Messung, aber in sehr viel kürzerer Zeit.

So konnten Translationsgeschwindigkeiten bis zu 1000 nm/s realisiert werden. Die Methode wird in Zukunft nicht nur in weiter verbesserten Messplätzen zur Bestimmung des Gitterparameters von Silicium, sondern darüber hinaus auch für andere Längenmessungen in der Nanotechnologie eingesetzt werden.

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U. Kuetgens,
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