Rempli de gaz inerte, la chambre de pression contient des fibres à âme creuse guidant la lumière. Le gaz et la lumière interagissent entre eux. Par conséquent, le spectre optique s'élargit et les impulsions deviennent plus courtes (30 fs). Crédit :Fraunhofer IOF, Walter Oppel
Les circuits électroniques sont tellement miniaturisés que les effets de la mécanique quantique deviennent perceptibles. A l'aide de spectromètres photoélectroniques, les physiciens du solide et les développeurs de matériaux peuvent en savoir plus sur ces processus basés sur les électrons. Les chercheurs de Fraunhofer ont contribué à révolutionner cette technologie avec un nouveau spectromètre qui fonctionne dans la gamme des mégahertz.
Notre vision se limite au monde macroscopique. Si nous regardons un objet, nous ne voyons que sa surface. A l'échelle nanométrique, les choses sembleraient très différentes. C'est un monde d'atomes, électrons et bandes d'électrons, où règnent les lois de la mécanique quantique. Étudier de plus près ces plus petits éléments constitutifs de la matière est une voie très intéressante pour les physiciens du solide et les développeurs de matériaux - tels que ceux qui travaillent sur les circuits électroniques, qui sont si miniaturisés dans certains cas que les effets de la mécanique quantique deviennent perceptibles.
La spectroscopie photoélectronique ouvre une fenêtre sur les atomes avec leurs états énergétiques et leurs électrons. Le principe peut être décrit comme suit :A l'aide d'un laser, vous projetez des photons de haute énergie (particules de lumière) sur la surface de l'objet à l'état solide à étudier - un circuit électronique, par exemple. La lumière à haute énergie élimine les électrons de la liaison atomique. Selon la profondeur à laquelle les électrons sont situés dans l'atome - ou plus précisément, dans quelle bande d'énergie ils se trouvent - ils atteignent le détecteur tôt ou tard. Analyser le temps qu'il faut aux électrons pour atteindre le détecteur, les développeurs de matériaux peuvent tirer des conclusions sur les états énergétiques des bandes d'électrons et la structure des liaisons atomiques dans le solide. Comme dans une course, tous les électrons doivent démarrer en même temps - sinon, la course ne peut pas être analysée. Ce type de démarrage simultané ne peut être obtenu qu'en utilisant un faisceau laser pulsé. En termes simples :vous tirez le laser sur la surface, regardez ce qui a été publié – et tirez à nouveau. Habituellement, les lasers fonctionnent dans la gamme des kilohertz, ce qui signifie qu'ils émettent quelques milliers d'impulsions de lumière laser par seconde.
Le problème est que si vous libérez trop d'électrons simultanément avec une impulsion, ils se repoussent, ce qui rend impossible leur mesure. Donc vous baissez la puissance du laser. Pour pouvoir néanmoins mesurer suffisamment d'électrons pour un échantillon fiable, vous devez prévoir des temps de mesure suffisamment longs. Mais parfois ce n'est pas faisable, car les échantillons et les paramètres de la source de faisceau ne peuvent pas être maintenus suffisamment stables sur une si longue période. Réduction des temps de mesure de cinq heures à dix secondes.
Des chercheurs des instituts Fraunhofer d'optique appliquée et d'ingénierie de précision IOF et de technologie laser ILT ont collaboré avec leurs pairs de l'Institut Max Planck d'optique quantique pour développer le premier spectromètre photoélectronique au monde qui ne fonctionne pas dans la gamme des kilohertz, mais à 18 mégahertz. Cela signifie que plusieurs milliers de fois plus d'impulsions frappent la surface qu'avec les spectromètres conventionnels. Cela a un effet dramatique sur les temps de mesure. « Certaines mesures prenaient cinq heures ; nous pouvons maintenant les effectuer en dix secondes, " dit le Dr Oliver de Vries, scientifique à Fraunhofer IOF.
Amplification et raccourcissement des impulsions laser
Principaux étages amplificateurs du système laser à fibre, où des énergies d'impulsion élevées sont générées. Crédit :Fraunhofer IOF, Marco Plötner, Walter Oppel
Le spectromètre se compose de trois composants principaux :un système laser ultrarapide, un résonateur d'amélioration et une chambre d'échantillon avec le spectromètre lui-même. En tant que laser initial, les chercheurs utilisent un laser titane-saphir à phase stable. Ils modifient son faisceau laser dans le premier composant :au moyen de préamplificateurs et d'amplificateurs, ils augmentent la puissance de 300 microwatts à 110 watts – une multiplication par million. En outre, ils raccourcissent les impulsions. Pour faire ça, ils utilisent une astuce selon laquelle le faisceau laser est tiré une infinité de fois à travers un solide, qui élargit le spectre. Si vous réassemblez ensuite ces composantes de fréquence nouvellement créées de l'impulsion, c'est-à-dire si vous combinez toutes les fréquences d'une manière correcte en phase, vous raccourcissez la durée d'impulsion. « Bien que cette méthode était déjà connue à l'avance, il n'était pas possible jusqu'à présent de compresser l'énergie d'impulsion dont nous avons besoin ici, " dit le Dr Peter Rußbüldt, chef de groupe chez Fraunhofer ILT.
Augmenter l'énergie des photons
La durée d'impulsion de la lumière laser quittant le premier composant est déjà très courte. Cependant, l'énergie de ses photons n'est pas encore suffisante pour faire sortir les électrons du solide. Dans le deuxième volet, les chercheurs augmentent donc l'énergie des photons et raccourcissent à nouveau la durée d'impulsion des faisceaux laser dans un résonateur. Les miroirs orientent la lumière laser dans un cercle plusieurs centaines de fois à l'intérieur du résonateur. Chaque fois que la lumière repasse au point de départ, le rayonnement laser frais du premier composant y est superposé – et cela de manière à ce que la puissance des deux faisceaux s'additionne. Embouteillée dans le résonateur, ce rayonnement atteint des intensités si puissantes que quelque chose d'étonnant se produit dans un jet de gaz - des impulsions XUV attosecondes à haute énergie sont générées avec plusieurs fois la fréquence du faisceau laser.
Les chercheurs de Fraunhofer ILT utilisent une autre astuce pour récupérer les impulsions XUV attosecondes à haute énergie du résonateur. "Nous avons développé un miroir spécial qui non seulement résiste à la haute puissance, mais a aussi un minuscule trou au centre, " explique Rußbüldt. Le faisceau de rayons à haute harmonique - comme on appelle les faisceaux laser à haute énergie - généré par le processus est plus petit que les autres ondes qui circulent. Alors que les faisceaux lumineux à plus faible énergie continuent de frapper le miroir et d'être tourné en rond, le faisceau de rayons à haute énergie est si fin et étroit qu'il glisse à travers le trou au centre du miroir, sort du deuxième composant et est dévié dans le compartiment d'échantillon à l'intérieur du troisième composant.
Le prototype du spectromètre à photoélectrons est terminé. Il est situé à l'Institut Max Planck à Garching, où il est utilisé pour des expériences et optimisé avec la collaboration des chercheurs de Fraunhofer.
