Extrem-UV Meta-Optiken für die Attosekundenmikroskopie

Halbleiterstrukturen der Zukunft wie innovative Solarzellen, neuartige Nano-Katalysatoren oder Kommunikationsgeräte, welche Quanteneigenschaften ausnutzen, haben gemeinsam, dass sie aus winzigen Einheiten bestehen und Prozesse ausnutzen, die auf extrem kurzen Zeitskalen ablaufen. Schon heute sind Transistoren, also Schalter in unseren Computern und Handys, nur einige zehn Nanometer groß. 1 Nanometer entspricht 0,000 000 001 Meter = 10 9 Meter zum Vergleich: 10000 solcher Transistoren wären aufeinander gelegt etwa so dick wie ein einziges Blatt Papier. Außerdem können Prozesse, die nur einige 100 Attosekunden dauern, entscheiden, ob ein Nanogerät funktioniert oder nicht zur Veranschaulichung: Das Verhältnis zwischen 1 Attosekunde und 1 Sekunde entspricht dem Verhältnis zwischen 1 Sekunde und dem Alter des Universums. Ein Beispiel für einen solchen ultraschnellen Prozess ist die Absorption von Licht, die entscheidet, ob eine Solarzelle effizient ist oder nicht. Die Beobachtung solcher Vorgänge in Kleinstgeräten ist durch die benötigte Auflösung zwar komplex, jedoch zentral für die Entwicklung von Zukunftstechnologien. Erstes Ziel des EUVORAM-Projekts ist es, neue Optiken zu entwerfen und dann ein Mikroskop zu bauen, das eine sehr hohe Ort- und eine sehr hohe Zeitauflösung vereint. Um dies zu erreichen wird das Mikroskop extrem ultraviolettes Licht verwenden. Dieses Licht ist für uns unsichtbar und schwingt viel schneller als sichtbares Licht, weswegen es sich für ultraschnelle Beobachtungen bestens eignet. Allerdings existieren bisher keine guten Optiken für diese spezielle Art von Strahlung. Deshalb fällt es schwer, eine gute Ortsauflösung zu erreichen. EUROVAM wird deshalb hierfür so genannte Metaoptiken einsetzen. Linsen fokussieren Licht, indem sie einen Phasenschub erzeugen. Das passiert, weil Licht im Glas einer Linse schneller schwingt als in Luft. In Regionen, in denen eine Linse dick ist, fällt der Phasenschub größer, in dünnen Regionen kleiner aus. Die moderne Nanowissenschaft ermöglicht es heute denselben Effekt ohne geschliffenes Glas zu erzeugen. Der neue Ansatz besteht darin, Milliarden kleiner Nano-Türmchen zu verwenden. Jedes Nano-Türmchen hat einen präzise ausgewählten Querschnitt, der zuvor am Computer so berechnet wird, dass er den gewünschten Phasenschub erzeugt. Mit dieser Technik gefertigte Linsen können sehr dünn sein und eignen sich deshalb speziell für extrem ultraviolettes Licht. Da sich diese Linsen aus einem Verbund vieler winziger Bauelemente zusammensetzen, nennt man sie Metalinsen. Zweites Ziel ist dann, das neue Mikroskop einzusetzen um die elementarsten Prozesse z.B. in heute hochmodernen Schaltern, Solarzellen und anderer Optoelektronik zu verstehen. Mit diesem Wissen können wir dann die nächste Generation von Technologie noch schneller, noch kleiner und noch energieeffizienter gestalten.