Fein und schnell

Abstract

A m Anfang des 20. Jahrhunderts zeichnete sich ab, dass sichtbares Licht und damit die klassische Mi kroskopie nicht ausreicht, Bilder aus der neu entdeckten Welt der Atome zu liefern. Um diese Grenze zu durchbrechen, wurden verschiedene Instrumente entwickelt. Das Transmissions-Elektronenmikroskop (TEM) nutzt beispielsweise den Welle-Teilchen-Dualismus von Elektronen, um atomare Strukturen aufzulösen. Wesentlich später gelang es Stefan Hell mit seinem STED (Stimulated Emission Depletion)-Mikroskop, Strukturen mit Photonen sichtbar zu machen, die kleiner als das Beugungslimit sind. Für die Visualisierung von Oberflächen auf kleinster Skala haben sich Rastersondenverfahren durchgesetzt. 1981 konnten Gerd Binnig und Heinrich Rohrer mit dem von ihnen erfundenen Rastertunnelmikroskop (RTM) erstmals die komplexe Rekonstruktion der Siliziumoberfläche im Realraum darstellen [1]. 1986 erhielten beide zusammen mit Ernst Ruska, dem Wegbereiter der Elektronenmikroskopie, den Nobelpreis für Physik. Der Abbildungsmechanismus des RTM basiert auf dem Vermessen des Tunnelstroms zwischen einer Spitze und der Probenoberfläche als Funktion der angelegten Spannung und der Position im Raum. Dadurch kann diese Technik nicht nur die topographischen Eigenschaften der Oberfläche auflösen, sondern auch ihre die elektronischen Eigenschaften spektroskopisch entschlüsseln (Abbildung 1) [2, 3]. Diese Methode hat jedoch einen bedeutenden Nachteil. Die gemessenen Ströme sind sehr klein und verlangen eine lange Mittelungszeit, was das Beobachten von schnell ablaufenden, dynamischen Prozessen unmöglich macht. Rein optische Methoden hingegen erlauben es, ultraschnelle Vorgänge zu messen. Möglich macht dies die Pump-Probe-Spektroskopie. Dabei wird das untersuchte System durch einen Pump-Laserpuls angeregt und in der Folge das abklingende Verhalten mit dem Probe-Laserpuls gemessen. Das Variieren der Zeit zwischen Pump-und Probepuls generiert Daten über den Ablauf eines schnellen Prozesses. Das zeitliche Auflösungsvermögen ist dabei von der Zeitdauer der Pulse begrenzt. Moderne Laseroszillatoren sind in der Lage, Impulse mit nur wenigen Femtosekunden (10 -15 s) Dauer routinemäßig zu generieren. Das ABB. 1 AUFNAHMEN MIT RASTERTUNNELMIKROSKOP (RTM) a) Rastertunnelmikroskopie-Aufnahme einer Heterostruktur aus der Schichtfolge GaAs/AlAs/GaAs in der Querschnittsgeometrie. Die Farben beschreiben die Höhe der Mikroskopspitze über der Probe in Pikometern. In der AlAs-Schicht sind Quantenpunkte aus InAs eingebaut, die als helle Strukturen erkennbar sind [2]. b) Lokales Streumuster einer magnetischen Störstelle in einem Kupfer-Einkristall [3].