Beobachtung von Ionenstreuung in Echtzeit (time4ions)

Das Ziel des time4ions-Projekt ist es die ultraschnelle Dynamik von Elektronen und Atomen in einer durch Ioneneinschlag stark gestörten Oberfläche zu untersuchen. Mit der weltweit ersten ultraschnellen Ionenquelle werden wir Ionenpulse mit einer bisher unerreichten Zeitauflösung unterhalb einer Pikosekunde erzeugen. Mit Hilfe der pump-probe-Technik, bei der sowohl ein Laserpuls und als auch ein Ionenpuls mit nur sehr kleiner Verzögerung auf eine Oberfläche fallen, können wir Schnappschüsse der atomaren Bewegung in einer Oberfläche nach dem Ioneneinschlag aufnehmen. Wenn ein Ion eine Oberfläche trifft, streut es an Atomen und setzt diese in Bewegung. Durch weitere Stöße des Ions und der Atome entsteht eine Kaskade von sich bewegenden Atomen und ein ganzes Oberflächenvolumen wird für eine sehr kurze Zeit aufgeschmolzen. Es ist bisher unverstanden wie sich die Schmelze entwickelt, wie groß das betroffene Volumen ist und wie schnell sich die Einschlagsregion abkühlt. Wissen über das kurzzeitig betroffene Volumen ist von besonderer Bedeutung für die Entwicklung neuer Halbleiterbauelemente bei denen die Strukturgrößen immer kleiner werden. Beispielsweise verhalten sich 2D Materialien - die dünnsten Schichtsysteme - unter Ionenbeschuss im freistehenden Fall anders als auf einem Substrat. Das liegt an der Stoßkaskade, welche sich im Substrat ausbreiten kann und dann zu zusätzlichen Defekten im 2D Material führen kann. Ein direkter experimenteller Zugang zu Dynamik von Atomen in der Oberfläche nach Ionenbeschuss ermöglicht es uns Materialeigenschaften mit Ionenstrahlen gezielter zu verändern. Bevor wir dahin gelangen wird die Grundlagenforschung in diesem Projekt mit den ersten wahrlich zeitaufgelösten Ionenstreuexperimenten den Weg ebnen. Die Flexibilität der pump-probe-Technik erlaubt es jedoch auch darüber hinaus den Spieß umzudrehen und die Ionen als Sonde für stark gestörte Materialien zu benutzen. Wenn der Laserpuls vor dem Ionenpuls auftrifft, so werden Elektronen in der Oberfläche aus ihren Gleichgewichtszuständen befördert und das Ion tritt anschließend mit ihnen in Wechselwirkung. Ähnliche stark Nichtgleichgewichtssysteme treten in astrophysikalischen Objekten wie unserer Sonne auf, wo sich Ionen durch sehr heiße Plasmen bewegen. Es ist ein weiteres Ziel dieses Projekts die Wechselwirkung von Ionen mit kurzlebigen Nichtgleichgewichtssystem zu untersuchen, was wiederum nur mit unserer neu entwickelten ultraschnellen Ionenquelle möglich ist.