Neue Technologie erzeugt ultrakurze Ionenpulse

An der TU Wien ist es gelungen, lasersynchronisierte Ionenpulse mit einer Dauer von deutlich unter 500 Pikosekunden zu erzeugen, mit denen sich chemische Prozesse an Materialoberflächen beobachten lassen. Die Arbeit wurde veröffentlicht In Physische Überprüfungsforschung.

Will man etwas sehr schnell fotografieren, braucht man eine Kamera mit sehr kurzer Belichtungszeit. Das gleiche Prinzip gilt überall in der Physik: So werden beispielsweise extrem kurze Laserpulse genutzt, um die Vorgänge im Inneren von Atomen sichtbar zu machen.

Antworten auf ungeklärte Fragen der Physik liefern aber nicht nur Laserpulse, sondern auch Ionenpulse: Mit einer neuen Methode lassen sich nun extrem kurze, starke Pulse geladener Teilchen erzeugen, die man künftig präzise kontrolliert auf eine Oberfläche schießen kann.

Damit wird es möglich, sehr schnelle Prozesse, die auf dieser Oberfläche stattfinden, zu analysieren. So können zum Beispiel chemische Prozesse noch während ihres Ablaufs analysiert werden.

Normalerweise sieht man nur, was übrig bleibt

„Ionenstrahlen werden schon lange eingesetzt – um Materialien zu analysieren, aber auch, um Materialoberflächen zu reinigen oder zu modifizieren“, sagt Prof. Richard Wilhelm vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien.

„Normalerweise bekommt man allerdings immer nur das Endprodukt zu sehen. Man schießt Ionen auf eine Oberfläche und schaut sich dann an, wie sich das Material dadurch verändert hat. Die große Schwierigkeit bestand bisher darin, so kurze Ionenpulse zu erzeugen, dass man damit den zeitlichen Verlauf des Aufpralls verfolgen kann.“

Die im Labor der TU Wien erzeugten Ionenpulse dauern weniger als 500 Pikosekunden. Eine Pikosekunde ist ein Millionstel einer Millionstel Sekunde – eine für menschliche Maßstäbe fast unvorstellbar kurze Zeitspanne. Selbst Licht legt in 500 Pikosekunden gerade einmal 15 Zentimeter zurück. Das ist immer noch millionenfach länger als die kürzesten Laserpulse der Welt, die auf einer Zeitskala von Attosekunden laufen. Diese Zeitskala kommt allerdings in den optimalen Bereich für die Analyse von Oberflächen.

Laser erzeugen Elektronen, Elektronen erzeugen Ionen

Um solche extrem kurzen Ionenpulse mit hoher Intensität zu erzeugen, musste ein mehrstufiger Prozess entwickelt werden: Zunächst wird ein Laserpuls auf eine Kathode geschossen, die daraufhin Elektronen emittiert. Diese Elektronen werden beschleunigt und treffen auf ein Edelstahltarget.

„An der Edelstahloberfläche lagern sich immer gewisse Atome an, zum Beispiel Wasserstoff und Sauerstoff“, sagt Wilhelm. „Wenn die Elektronen auf diese Schicht aus angelagerten Atomen treffen, werden einige davon herausgeschleudert und fliegen davon.“

Manche dieser wegfliegenden Atome sind elektrisch neutral, andere ionisiert. Welche davon weiter genutzt werden sollen, lässt sich über elektrische Felder gezielt auswählen – sie werden dann als kurzer Ionenpuls zielgenau auf die Oberfläche gelenkt, die man eigentlich analysieren will.

„Da dieser Prozess durch einen Laserpuls gestartet wird, können wir sehr genau steuern, wann der Ionenpuls erzeugt werden soll und wann er auf eine Oberfläche treffen soll“, sagt Wilhelm. „So können wir beispielsweise die Oberfläche mit auftreffenden Ionen zu verschiedenen Zeitpunkten abtasten, während eine bestimmte, laseraktivierte chemische Reaktion abläuft. Wir erhalten unterschiedliche Signale, die den Verlauf der Reaktion auf einer Pikosekunden-Zeitskala visualisieren.“

Flexible neue Technologie

Bisher nutzt man hierfür vor allem die einfachsten Ionen überhaupt, nämlich Protonen. Mit derselben Methode ließen sich aber auch andere Ionenpulse erzeugen, zum Beispiel aus Kohlenstoff- oder Sauerstoffionen.

„Es kommt einfach darauf an, welche Atome wir auf der Edelstahlschicht anbringen, auf die die Elektronen treffen. Das lässt sich genau steuern“, sagt Wilhelm. Auch Pulse aus elektrisch neutralen Atomen oder sogar negativ geladenen Ionen lassen sich erzeugen.

Es gibt bereits Pläne, die Dauer der Ionenpulse noch weiter zu verkürzen. Dazu wären dann nur noch speziell geformte elektromagnetische Wechselfelder nötig, die die ersten Ionen im Puls etwas abbremsen und die nachfolgenden Ionen etwas beschleunigen.

„Wir haben eine vielversprechende neue und erstaunlich effiziente Technik entwickelt, um ultrakurze Prozesse zu untersuchen, deren zeitliche Dynamik bisher nicht untersucht werden konnte“, sagt Wilhelm. Die Methode kann mit der bestehenden Technologie der ultraschnellen Elektronenmikroskopie kombiniert werden und Einblicke in viele verschiedene Aspekte der Physik und Chemie von Oberflächen liefern.