Unsichtbare Lichtblitze entzünden Nano-Feuerwerk

Intensive Lichtpulse können transparentes Material in ein Plasma verwandeln, das Lichtenergie anschließend effizient einfängt. Wissenschaftler aus Rostock und Berlin konnten diesen Prozess nun extrem präzise kontrollieren.

Sie verwendeten dazu einen Trick, der medizinische Methoden und die Herstellung von Nanomaterialien wesentlich vereinfachen könnte. Das Zusammentreffen von Licht und Materie wurde von einem Team von Physikern vom Institut für Physik der Universität Rostock und vom Max Born Institute für nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) in Berlin erforscht.

Die Wissenschaftler untersuchten die Wechselwirkung intensiver nah-infraroter (NIR) Laserblitze mit winzigen, nur wenige Nanometer-großen Teilchen aus einigen Tausend Argonatomen – so genannten Atomclustern. Das sichtbare NIR Licht allein kann ein Plasma nur dann erzeugen, wenn seine elektromagnetischen Wellen so stark sind, dass es einzelne Atome in Elektronen und Ionen zerreißt (ionisiert).

Die Forscher konnten diese Zündungsschwelle austricksen, indem sie die Cluster mit einem zweiten, deutlich schwächeren und für das menschliche Auge unsichtbaren Femtosekunden-Lichtblitz im extrem-ultravioletten Spektralbereich bestrahlten (eine Femtosekunde ist ein millionstel einer milliardstel Sekunde).

Mit diesem Trick konnten die Forscher den Energieeinfang auch für unerwartet schwaches sichtbaren Laserlicht “anschalten” und beobachteten ein Nano-Feuerwerk, bei dem Elektronen, Ionen und farbiges Fluoreszenzlicht von den Clustern in verschiedene Richtungen ausgesandt wurden (Bild 2).

Ihre Ergebnisse eröffnen neuartige Möglichkeiten für Grundlagenforschung und Anwendung und wurden in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Die Experimente wurden am Max Born Institut an einer 12 m langen Apparatur für die Erzeugung Hoher-Harmonischer (HH) durchgeführt. “Die Beobachtung, dass Argoncluster selbst bei moderater Lichtintensität stark ionisiert wurden war sehr überraschend ”, erklärt Dr. Bernd Schütte vom MBI, der das Experimente konzipiert und durchgeführt hat. “Obwohl der zusätzliche XUV Lichtblitz sehr schwach ist, ist seine Anwesenheit entscheidend: ohne den XUV Zündungspuls blieben die Nanopartikel unverändert und transparent für das sichtbare Licht (Bild 1)“.

Wissenschaftler um Prof. Thomas Fennel von der Universität Rostock konnten das Geheimnis der Synergie der beiden Lichtblitze durch Computersimulationen lüften. Sie fanden heraus, dass die Bereitstellung einiger weniger „Keim“-Elektronen durch die ionisierende XUV Strahlung genügen, um einen Prozess ähnlich zu einer Schneelawine im Gebirge in Gang zu setzen.

Die Keimelektronen werden dann durch das sichtbare Licht aufgeheizt und schlagen weitere Elektronen aus benachbarten Atomen heraus. “Im Verlauf dieser Lawine wächst die Zahl freier Elektronen in dem Nanopartikel exponentiell.”, erklärt Prof. Fennel. “Letztlich heizen sich die Partikel so stark auf, dass hochgeladene Ionen erzeugt werden können und zerplatzen.”

Das neuartige Konzept der Zündung einer Ionisationslawine durch XUV Licht macht es möglich, die Starkfeldionisation von Nanoteilchen und Feststoffen räumlich und zeitlich extrem genau zu kontrollieren. Die Zündungsidee eröffnet einen Weg, die Ionisation von Nanoteilchen zur Verfolgen und Einzustellen, und zwar auf der Zeitspanne von Attosekunden – einer unvorstellbar kurzen Zeit.

Eine Attosekunde verhält sich zu einer Sekunde, wie eine Sekunde zum Alter des Universums. Die Wissenschaftler erwarten, dass die Zündungsmethode in vielen transparenten Materialien funktioniert, also beispielsweise auch in Glas oder Plastik. Das macht dieses Konzept für die Herstellung von Nanostrukturen interessant.

Der Vorteil ergibt sich aus den Eigenschaften der XUV Lichtblitze, die auf eine viel kleinere Fläche fokussiert werden können und so eine höhere Präzision bei der Plasmazündung erlauben. Gleichzeitig lässt sich die Effizienz erhöhen, da, verglichen mit gängigen Verfahren, sichtbare NIR Pulse mit viel geringerer Intensität ausreichend sind. Daraus könnten zukünftig neue Methoden in der Nanolithografie und Nanomedizin entstehen.

Originalpublikation:
Ionization avalanching in clusters ignited by extreme-ultraviolet driven seed electrons
B. Schütte, M. Arbeiter, A. Mermillod-Blondin, M. J. J. Vrakking, A. Rouzée, T. Fennel.
Physical Review Letters 116, 033001 (2016), 19. Januar 2016, DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.033001
(http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.033001)

Kontakt:
Dr. Bernd Schütte
Bereich A: Attosekundenphysik
Max-Born-Institut
Max-Born-Strasse 2A
12489 Berlin
Email: schuette@mbi-berlin.de

Prof. Dr. Thomas Fennel
Arbeitsgruppe „Theoretische Clusterphysik und Nanophotonik“
Institut für Physik, Universität Rostock
Albert-Einstein-Str. 23
18059 Rostock
Telefon: +49-381-498-6815
E-Mail: thomas.fennel@uni-rostock.de