Nanotrichter verkürzt Wellenlänge von Laserstrahlen

Mittels eines Miniaturkegels aus Silber lassen sich aus infrarotem Laserlicht ultrakurze, extrem ultraviolette Pulse erzeugen

Nanotrichter
Nanotrichter

Daejeon (Korea)/Atlanta (USA)/Garching - Um Abläufe auf der Ebene von Atomen und Molekülen zu untersuchen, benötigen Forscher Laserpulse im Femto- oder Attosekundenbereich, eine Attosekunde entspricht dabei dem Milliardstel Teil einer Milliardstel Sekunde. Außerdem müssen der Energiegehalt und damit die Wellenlänge der verwendeten Strahlung genau auf den relevanten Vorgang abgestimmt sein. Einem internationalen Forscherteam ist es nun gelungen, mit einem Nanotrichter aus Silber extrem ultraviolette Laserpulse zu erzeugen, die sich bis zu 75 Millionen Mal pro Sekunde wiederholen. Die Physiker des Korea Advanced Institute of Science and Technology, des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der Georgia-State University halten es für möglich, die Pulsdauer in Zukunft noch weiter zu verkleinern. Die Pulse könnten zur Erforschung von Elektronenbewegungen in kleinsten Dimensionen mit bisher unerreichter räumlicher und zeitlicher Auflösung eingesetzt werden.

Trifft Licht - in diesem Fall Infrarot-Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 800 Nanometer - auf eine Oberfläche, ändert sich dort die Elektronenverteilung. Durch die Schwankungen in der Elektronendichte entstehen elektrische Felder, die man Plasmonen-Polaritonen nennt. Schieben sich die Plasmonen-Polaritonen nun durch den Kegel, werden sie zum schmaleren Ende hin verstärkt. Die genaue Form des Kegels spielt dabei eine entscheidende Rolle. Er ist so konstruiert, dass die elektrischen Felder Pulse im extrem ultravioletten Bereich bis zu 20 Nanometern anregen. Bei neun Mikrometern Länge verringert sich dafür der Kegeldurchmesser um das Zwanzigfache von zwei Mikrometern auf 100 Nanometer. Die kleine Ausgangsöffnung hat einen weiteren positiven Effekt: Öffnungen sind für Licht nicht passierbar, wenn sie kleiner sind als dessen halbe Wellenlänge. Das Durchqueren ist also für das ursprüngliche infrarote Licht nicht möglich, wohl aber für die ultraviolette Strahlung.

"Extrem-ultraviolette Lichtpulse sind aufgrund ihrer kurzen Wellenlänge und potentiell kurzen Pulsdauer, die den Attosekunden Bereich erreichen kann, ein wichtiges Werkzeug bei der Erforschung von Elektronenbewegungen in Atomen, Molekülen und Festkörpern", erläutert Seung-Woo Kim vom Korea Advanced Institute of Science and Technology. Möglicherweise lässt sich daraus eine neue Methode zur Abbildung von Vorgängen auf submikroskopischer Ebene entwickeln.