Erzeugung extremer UV-Strahlung mit Lasern an Nanostrukturen

Wissenschaftlern der Universität Göttingen und der Universität Leipzig ist es gelungen, die Erzeugung von extrem ultravioletter Strahlung an Nanostrukturen mit Laserpulsen in ein neues Licht zu rücken. Die Forscher konnten einen bisher in großen Teilen unverstandenen physikalischen Mechanismus aufklären.

Die Ergebnisse des Forschungsprojekts unter der Leitung von Prof. Dr. Claus Ropers vom Courant Forschungszentrum „Nanospektroskopie und Röntgenbildgebung“ der Universität Göttingen und Prof. Dr. Bernd Abel von der Fakultät für Chemie und Mineralogie der Universität Leipzig sind als Kurzartikel (Brief Communications) in der Online-Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Nature erschienen.

Die Forscher stellten zunächst antennenartige metallische Nanostrukturen her, indem sie mit Hilfe eines Ionenstrahls definierte geometrische Formen aus einem glatten Goldfilm schnitten. Werden diese Lichtantennen dann von einem extrem kurzen Laserpuls von wenigen Femtosekunden – eine Femtosekunde entspricht dem millionsten Teil einer Milliardstelsekunde – beleuchtet, dann wird an den Spitzen der Strukturen das vorher schon sehr intensive Lichtfeld noch weiter verstärkt. „Dadurch können Edelgasatome in der Nähe der Spitze hoch angeregt werden“, erklärt Prof. Abel. Prof. Ropers ergänzt: „Das vom Laser stammende Licht wird durch die Abstrahlung der angeregten Edelgasatome zum Teil in extrem kurzwellige Strahlung verwandelt, deren Wellenlänge im Bereich von 50 bis 150 Nanometern liegt und damit weit unterhalb dessen, was vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann.“ Die beiden Wissenschaftler vergleichen die Funktionsweise der Nanostrukturen mit der von vielen extrem kleinen Blitzableitern, die das Lichtfeld „aufsammeln“ und wie Linsen auf nanometergroße Bereiche konzentrieren.

Ein solcher Effekt in Nanostrukturen wurde von koreanischen Wissenschaftlern vor knapp vier Jahren erstmalig beschrieben. Das Ziel der Bemühungen war es, eine kleine Tischquelle für extreme UV-Strahlung zu entwickeln. Diese wäre nicht nur ein einzigartiges kompaktes Werkzeug für die Grundlagenforschung, sondern könnte auch für die Nanolithographie, also für die Herstellung von Computerchips der nächsten oder übernächsten Generation, eingesetzt werden.

Nach weltweiten Bemühungen, den Effekt zu reproduzieren und zu erklären, haben Prof. Ropers, Prof. Abel und insbesondere der Göttinger Doktorand Murat Sivis die Grundlagen nun nach über zwei Jahren intensiver Forschung erarbeitet. Anders als ursprünglich in dem viel beachteten Artikel aus dem Jahre 2008 beschrieben, beruht die Erzeugung der kurzwelligen Strahlung nicht auf einer laserartigen gerichteten Abstrahlung, sondern ist vielmehr auf eine ungerichtete ultraviolette Fluoreszenz des Edelgases in den Zwischenräumen der Nanostruktur zurückzuführen. „Es ist sehr wichtig, die zugrundeliegenden Mechanismen und vor allem die Effizienzen der verschieden stattfindenden Prozesse nun aufgeklärt zu haben. Dies wird auch für die Machbarkeit zukünftiger Anwendungen extrem wichtig sein“, sagt Murat Sivis.

Originalveröffentlichung: Murat Sivis et al. Nanostructure-enhanced atomic line emission. Nature 485, E1 (2012). DOI: 10.1038/nature10978.

Hinweis an die Redaktionen:
Fotos zum Thema haben wir im Internet unter http://www.uni-goettingen.de/de/3240.html?cid=4186 zum Download bereitgestellt.
Kontaktadressen:
Prof. Dr. Claus Ropers
Georg-August-Universität Göttingen – Fakultät für Physik
Institut für Materialphysik & Courant Forschungszentrum Nanospektroskopie und Röntgenbildgebung
Friedrich-Hund-Platz 1, 37077 Göttingen, Telefon (0551) 39-4549, Fax (0551) 39-4560
E-Mail: cropers@gwdg.de
Internet: www.uni-goettingen.de/de/91116.html
Prof. Dr. Bernd Abel
Universität Leipzig
Fakultät für Chemie und Mineralogie
Wilhelm-Ostwald-Institut für Physikalische und Theoretische Chemie
Lehrstuhl für Physikalische Chemie und Reaktionsdynamik
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E-Mail: bernd.abel@uni-leipzig.de