Os circuitos eletrônicos são miniaturizados a tal ponto que os efeitos da mecânica quântica se tornam perceptíveis. Usando espectrômetros de fotoelétrons, físicos de estado sólido e desenvolvedores de materiais podem descobrir mais sobre esses processos baseados em elétrons. Os pesquisadores da Fraunhofer ajudaram a revolucionar essa tecnologia com um novo espectrômetro que funciona na faixa dos megahertz.

Nossa visão se limita ao mundo macroscópico. Se olharmos para um objeto, nós apenas vemos sua superfície. Na nanoescala, as coisas pareceriam muito diferentes. Este é um mundo de átomos, elétrons e bandas de elétrons, em que as leis da mecânica quântica dominam. Investigar esses menores blocos de construção da matéria mais de perto é um caminho muito interessante para físicos de estado sólido e desenvolvedores de materiais - como aqueles que trabalham em circuitos eletrônicos, que são tão miniaturizados em alguns casos que os efeitos da mecânica quântica se tornam perceptíveis.

A espectroscopia de fotoelétrons abre uma janela para os átomos junto com seus estados de energia e seus elétrons. O princípio pode ser descrito da seguinte maneira:usando um laser, você atira fótons de alta energia (partículas de luz) na superfície do objeto de estado sólido a ser investigado - um circuito eletrônico, por exemplo. A luz de alta energia tira os elétrons da ligação atômica. Dependendo de quão profundamente os elétrons estão localizados no átomo - ou mais precisamente, em que banda de energia eles estão - eles alcançam o detector mais cedo ou mais tarde. Analisando o tempo que leva os elétrons para chegar ao detector, os desenvolvedores de materiais podem fazer inferências sobre os estados de energia das bandas de elétrons e a estrutura das ligações atômicas no sólido. Assim como em uma corrida, todos os elétrons devem começar ao mesmo tempo - caso contrário, a corrida não pode ser analisada. Esse tipo de partida simultânea só pode ser obtido com o uso de um feixe de laser pulsado. Simplificando:você atira o laser na superfície, veja o que foi lançado - e dispare novamente. Normalmente, os lasers funcionam na faixa de quilohertz, o que significa que eles emitem alguns milhares de pulsos de luz laser por segundo.

O problema é que se você liberar muitos elétrons simultaneamente com um pulso, eles se repelem - tornando impossível medi-los. Então você diminui a potência do laser. Para ser capaz de, no entanto, medir elétrons suficientes para uma amostra confiável, você precisa providenciar tempos de medição adequadamente longos. Mas às vezes isso não é viável, já que as amostras e os parâmetros da fonte do feixe não podem ser mantidos suficientemente estáveis ​​por um período tão longo. Reduzindo os tempos de medição de cinco horas para dez segundos.

Pesquisadores dos Institutos Fraunhofer de Óptica Aplicada e Engenharia de Precisão IOF e de Tecnologia de Laser ILT trabalharam junto com seus pares do Instituto Max Planck de Óptica Quântica para desenvolver o primeiro espectrômetro de fotoelétrons do mundo que não funciona na faixa de quilohertz, mas em 18 megahertz. Isso significa que vários milhares de vezes mais pulsos atingem a superfície do que com espectrômetros convencionais. Isso tem um efeito dramático nos tempos de medição. "Certas medições costumavam levar cinco horas; agora podemos concluí-las em dez segundos, "diz o Dr. Oliver de Vries, cientista da Fraunhofer IOF.

Amplificar e encurtar pulsos de laser

O espectrômetro consiste em três componentes principais:um sistema de laser ultrarrápido, um ressonador de realce e uma câmara de amostra com o próprio espectrômetro real. Como o laser inicial, os pesquisadores usam um laser de safira de titânio de fase estável. Eles mudam seu feixe de laser no primeiro componente:por meio de pré-amplificadores e amplificadores, eles aumentam a potência de 300 microwatts para 110 watts - um aumento de um milhão de vezes. Além disso, eles encurtam os pulsos. Para fazer isso, eles usam um truque pelo qual o feixe de laser é disparado inúmeras vezes através de um sólido, o que amplia o espectro. Se você então colocar esses componentes de frequência recém-criados do pulso juntos novamente - isto é, se você combinar todas as frequências de uma maneira correta de fase - você encurta a duração do pulso. "Embora este método já fosse conhecido de antemão, não foi possível até agora comprimir a energia de pulso que precisamos aqui, "diz o Dr. Peter Rußbüldt, gerente de grupo na Fraunhofer ILT.

Aumentando a energia do fóton

A duração do pulso da luz laser saindo do primeiro componente já é muito curta. Contudo, a energia de seus fótons ainda não é suficiente para tirar os elétrons do sólido. No segundo componente, os pesquisadores, portanto, aumentam a energia do fóton e encurtam a duração do pulso dos feixes de laser mais uma vez em um ressonador. Os espelhos orientam a luz do laser em um círculo várias centenas de vezes dentro do ressonador. Cada vez que a luz passa pelo ponto inicial novamente, radiação laser fresca do primeiro componente é sobreposta a ele - e isso é feito de forma que a potência dos dois feixes seja somada. Engarrafado no ressonador, essa radiação atinge intensidades tão poderosas que algo incrível acontece em um jato de gás - pulsos de attosegundos XUV de alta energia são gerados com muitas vezes a frequência do feixe de laser.

Os pesquisadores do Fraunhofer ILT usam outro truque para obter os pulsos de attosegundo XUV de alta energia do ressonador. "Desenvolvemos um espelho especial que não apenas suporta a alta potência, mas também tem um buraco minúsculo no centro, "explica Rußbüldt. O feixe de raios de alta harmônica - como são chamados os feixes de laser de alta energia - gerado pelo processo é menor do que as outras ondas que estão circulando. Enquanto os feixes de luz de baixa energia continuam a atingir o espelho e ser girado em um círculo, o feixe de raios de alta energia é tão fino e estreito que desliza pelo orifício no centro do espelho, sai do segundo componente e é desviada para o compartimento de amostra dentro do terceiro componente.

O protótipo do espectrômetro de fotoelétrons foi concluído. Ele está localizado no Instituto Max Planck em Garching, onde é usado para experimentos e otimizado com a colaboração de pesquisadores Fraunhofer.