Neue Technologie erzeugt ultrakurze Ionenpulse

Der Technischen Universität Wien (TU Wien) ist es gelungen, lasersynchronisierte Ionenpulse mit einer Dauer von deutlich unter 500 Pikosekunden zu erzeugen, mit denen sich chemische Prozesse auf der Oberfläche von Materialien beobachten lassen. Die Arbeit wurde veröffentlicht in Forschung zur körperlichen Untersuchung.

Wenn Sie etwas sehr schnelles fotografieren möchten, benötigen Sie eine Kamera mit einer sehr kurzen Belichtungszeit. Überall in der Physik gilt das gleiche Prinzip: So werden beispielsweise mit extrem kurzen Laserpulsen Vorgänge im Inneren von Atomen sichtbar gemacht.

Doch nicht nur Laserpulse liefern Antworten auf offene Fragen der Physik, sondern auch Ionenpulse: Mit einer neuen Methode ist es nun möglich, extrem kurze und starke Pulse geladener Teilchen zu erzeugen, die dann gezielt auf eine Oberfläche geschossen werden können in Zukunft kontrolliert erfolgen.

Dadurch wird es möglich, sehr schnelle Prozesse zu analysieren, die auf dieser Oberfläche ablaufen. Beispielsweise können chemische Prozesse analysiert werden, während sie noch im Gange sind.

Normalerweise sehen wir nur, was übrig bleibt

„Ionenstrahlen werden schon lange eingesetzt: zur Analyse von Materialien, aber auch zur Reinigung oder Modifizierung von Materialoberflächen“, erklärt Professor Richard Wilhelm vom Institut für Angewandte Physik der Technischen Universität Wien.

„Normalerweise sieht man nur das Endprodukt. Wir schicken Ionen auf eine Oberfläche und beobachten dann die daraus resultierenden Veränderungen im Material. Die große Herausforderung bestand bisher darin, Ionenpulse zu erzeugen, die so kurz sind, dass man damit den zeitlichen Verlauf des Aufpralls verfolgen kann. »

Die im Labor der Technischen Universität Wien erzeugten Ionenpulse dauern weniger als 500 Pikosekunden. Eine Pikosekunde ist ein Millionstel einer Millionstel Sekunde, eine unglaublich kurze Zeitspanne für den Menschen. Selbst Licht legt in 500 Pikosekunden nur 15 Zentimeter zurück. Das ist eine Million Mal länger als die kürzesten Laserpulse der Welt, die auf einer Zeitskala von Attosekunden stattfinden. Diese Zeitskala liegt jedoch im optimalen Bereich für die Oberflächenanalyse.

Laser erzeugen Elektronen, Elektronen erzeugen Ionen

Um extrem kurze, hochintensive Ionenpulse zu erzeugen, musste ein mehrstufiges Verfahren entwickelt werden: Ein Laserpuls wird zunächst an eine Kathode geschickt, die dann Elektronen aussendet. Diese Elektronen werden beschleunigt und treffen auf ein Edelstahltarget.

„Auf der Oberfläche von Edelstahl sammeln sich immer bestimmte Atome an, zum Beispiel Wasserstoff und Sauerstoff“, erklärt Wilhelm. „Wenn Elektronen auf diese Schicht anhaftender Atome treffen, werden einige von ihnen herausgeschlagen und fliegen davon. »

Einige dieser fliegenden Atome sind elektrisch neutral, andere sind ionisiert. Mithilfe elektrischer Felder kann genau ausgewählt werden, welche davon später genutzt werden sollen. Anschließend werden sie als kurzer Ionenimpuls punktgenau auf die Oberfläche gelenkt, die Sie tatsächlich analysieren möchten.

„Da dieser Prozess durch einen Laserpuls ausgelöst wird, können wir sehr genau steuern, wann der Ionenpuls erzeugt werden soll und wann er auf eine Oberfläche treffen soll“, erklärt Wilhelm. „Zum Beispiel können wir die Oberfläche zu verschiedenen Zeitpunkten mit Ionen untersuchen, während eine bestimmte laseraktivierte chemische Reaktion stattfindet. Wir erhalten verschiedene Signale, die den Reaktionsfortschritt auf der Pikosekundenskala visualisieren. »

Neue flexible Technologie

Bisher wurden hierfür die einfachsten Ionen, nämlich Protonen, verwendet. Mit der gleichen Methode könnten aber auch andere Ionenpulse erzeugt werden, etwa aus Kohlenstoff- oder Sauerstoffionen.

„Es hängt einfach davon ab, welche Atome wir an der Edelstahlschicht anbringen und welche von den Elektronen getroffen werden, die sich genau steuern lassen“, sagt Wilhelm. Es ist auch möglich, Impulse elektrisch neutraler Atome oder sogar negativ geladener Ionen zu erzeugen.

Es gibt bereits Pläne, die Dauer der Ionenpulse weiter zu reduzieren. Dazu würde es ausreichen, elektromagnetische Wechselfelder zu erzeugen, die speziell darauf ausgelegt sind, die ersten Ionen des Impulses leicht zu verlangsamen und die folgenden leicht zu beschleunigen.

„Wir haben eine vielversprechende und überraschend effektive neue Technik zur Untersuchung ultrakurzer Prozesse entwickelt, deren zeitliche Dynamik bisher nicht untersucht wurde“, erklärt Wilhelm. Die Methode kann mit bestehender ultraschneller Elektronenmikroskopie-Technologie kombiniert werden, um Einblicke in viele verschiedene Aspekte der Oberflächenphysik und -chemie zu ermöglichen.