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„Superschnell und superscharf“

Göttinger Physiker kombinieren hoch aufgelöste Mikroskopie mit gepulster Laseranregung

20.03.2017

Grafik: Universität Göttingen

Atomar aufgelöste Oberfläche des Halbleiters Galliumarsenid. Die lokale Erhöhung in der Mitte des Bildes ist die Signatur eines Siliziumatoms. Die Farbcodierung zeigt, dass das System in unmittelbarer Nähe des Siliziumatoms längere Zeit benötigt, die optische Anregung des Lasers zu „vergessen“.

Heutzutage bilden optische Methoden physikalische, chemische oder biologische Prozesse auch auf ultrakurzen Zeitskalen ab. Physikern der Universität Göttingen ist es gelungen, gepulste Laseranregung mit der Rastertunnelmikroskopie, einer atomar abbildenden Technik, zu verbinden. Als erste Anwendung ihres neuen Verfahrens studierten sie Ladungsprozesse an und innerhalb von Halbleiteroberflächen. So konnten sie erstmals den Einfluss von atomaren Defekten, beispielsweise isolierten Siliziumatomen, im Galliumarsenid vermessen.

Bei der Rastertunnelmikroskopie tastet eine sehr dünne metallische Spitze eine kristalline Oberfläche ab. Dabei ist es möglich, die messende Sonde, also die Spitze des Mikroskops, genauer als ein Millionstel eines Haardurchmessers auf der Oberfläche zu positionieren. „Wird das System nun mit kurzen Laserpulsen angeregt, können anschließend die optisch ausgelösten dynamischen Prozesse auf atomarer Skala vermessen werden – auf superschnellen Zeitskalen und mit superscharfer Auflösung“, so Mitautor Philipp Kloth vom IV. Physikalischen Institut der Universität Göttingen. Die untersuchten Systeme und die damit verbundenen Ladungsdynamiken spielen bereits heute eine bedeutende Rolle in der Photovoltaik oder in der Computertechnologie. „Will man in Zukunft halbleiter-basierte Bauteile noch weiter verkleinern und dadurch effizienter gestalten, sind die gewonnen Erkenntnisse essentiell wichtig“, sagt Mitautor Dr. Martin Wenderoth vom IV. Physikalischen Institut.

Die gezielte Energieumwandlung auf kleinster Skala zu kontrollieren und damit langfristig alternative Konzepte zur Lösung der Energiefrage zu entwickeln, ist ein wichtiger Forschungsschwerpunkt am Göttingen Campus. Der Sonderforschungsbereich „Kontrolle von Energiewandlung auf atomaren Skalen“, gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, umfasst eine Vielzahl von Forschergruppen, die mithilfe modernster Verfahren grundlegende physikalische Prozesse auf atomarer Skala verstehen und nutzbar machen wollen. Das im Forschungsprojekt von Wenderoth, Prof. Dr. Claus Ropers und Prof. Dr. Alec Wodtke entwickelte Experiment stellt hierbei einen wichtigen Baustein dar.

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