Exzellenz bei der Lichtbeugung
Sägezahnstruktur eines Blaze-Gitters
HZB richtet Technologiezentrum für hocheffiziente optische Präzisionsgitter ein
Der Berliner Senat für Wissenschaft und Forschung hat finanzielle Mittel aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) bewilligt, um ein Technologiezentrum für hocheffiziente optische Präzisionsgitter am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) aufzubauen. Das Vorhaben wird vom EFRE mit fünf Millionen Euro gefördert und vom neuen HZB-Institut für Nanometeroptik und Technologie umgesetzt. Das neue Technologiezentrum wird die Bedeutung Berlins als Standort für Präzisionsoptiken weiter stärken. Im Technologiezentrum für hocheffiziente optische Präzisionsgitter sollen neue Beugungsgitter für Synchrotronstrahlung entwickelt werden.
Die vom Beschleunigerring BESSY II des HZB erzeugte Synchrotronstrahlung wird in vielen verschiedenen Forschungsfeldern angewendet: Grundlagenforschung, Lebenswissenschaften, Katalyse- und Materialforschung oder auch Archäometrie. Das Bestrahlen von Proben mit kurzwelligem Röntgenlicht ermöglicht einzigartige Einblicke in die Struktur der Materie.
Um die untersuchten Proben detailliert auswerten zu können, müssen die Wissenschaftler die Eigenschaften des Lichts, mit dem sie ihre Materialien bestrahlen, genau kennen. Deshalb wird das eingestrahlte Röntgenlicht in seine einzelnen Wellenlängen aufgefächert. Beugungsgitter filtern die für die jeweilige Untersuchung benötigte Wellenlänge aus dem Röntgenlicht heraus.
Solche Gitter erhält man, indem Siliziumträger mit einer sehr dünnen Goldlage beschichtet werden. Auf der spiegelnden Oberfläche werden bis zu 4000 Linien pro Millimeter eingeprägt. An diesen Strukturen wird das Röntgenlicht gebeugt, sodass nur das Licht der benötigten Wellenlänge auf die Proben gelenkt wird.
Die Aufgabe des Technologiezentrums ist es, neue Beugungsgitter zu entwickeln, die eine möglichst hohe Lichtausbeute erreichen. Das gelingt den Forschern mit so genannten Blaze-Gittern: das sind Gitter, die ein eingeprägtes Sägezahn-Profil besitzen.
Präzise Sägezahnstrukturen im Nanometerbereich herzustellen, ist bis heute eine technologische Herausforderung. Die Forscher müssen Lösungen finden, um eine Abstandsgenauigkeit der Sägezähne im Nanometerbereich zu realisieren und gleichzeitig einen extrem flachen Sägezahnwinkel zu erreichen.
Der Abstand der Sägezähne im Gitter soll möglichst klein sein, damit Untersuchungen mit einer höheren Auflösung des Lichts (kleinere Wellenlängenungenauigkeit) durchgeführt werden können. Ein flacher Sägezahlwinkel ist wichtig, um die Intensität des Lichts im Röntgenbereich zu erhöhen.
Gelingt es den Forschern, beide Eigenschaften in den Blaze-Gittern umzusetzen, werden sich die Bedingungen für Experimente mit Synchrotronstrahlung deutlich verbessern.
Im Rahmen des geförderten Projekts wird die Technologie für solche Blaze-Gitter weiterentwickelt. Die EFRE-Förderung ermöglicht nun, ganz neue Wege bei dieser Entwicklungsarbeit gehen zu können. Einerseits wird das Technologiezentrum die bisherigen Kompetenzen in der Mikro- und Nanotechnik einsetzen, um mit neuen Prozessen die Anforderungen an die Präzision der Sägezahnprofile zu erfüllen. Andererseits werden Ideen für neue Gittergeometrien umgesetzt, für deren Realisierung das Technologiezentrum eine weltweit anerkannte Expertise besitzt.
Die neuartigen optischen Elemente finden Anwendung in effizienten Spektroskopie-Experimenten mit Synchrotronstrahlung.
Im Erfolgsfall soll eine Firma ausgegründet werden, die mit den neu entwickelten Technologien solche Blaze-Gitter herstellt. Damit würden neue Hochtechnologie-Arbeitsplätze in Berlin entstehen.
Das neue Technologiezentrum wird in das Institut für Nanometeroptik und Technologie am HZB integriert und durch die Arbeitsgruppe von Dr. Bernd Löchel betreut. Das Institut hat bereits Erfahrung mit verschiedenen Herstellungstechnologien und dem Einsatz von Gittern.
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Ein HZB-Team hat an der IRIS-Beamline bei BESSY II neue experimentelle Optionen geschaffen: Die Infrarot-Nanoskopie mit einer räumlichen Auflösung von rund 50 nm bei sehr langen THz-Wellenlängen. Möglich wurde dies durch den „Low-Alpha-Betriebsmodus“ an BESSY II, ein besonderes zeitliches Muster von Lichtimpulsen. Weltweit ist BESSY II nun die einzige Synchrotronlichtquelle, die in einem Versuchsaufbau Nanoskopie im Bereich von 25 bis 4000 cm-1 anbietet – eine einzigartige Möglichkeit zur ultrabreitbandigen Charakterisierung komplexer Materialien im Nanobereich sowohl in den Lebenswissenschaften als auch in den Materialwissenschaften.
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Je dünner eine Eisenschicht, desto leichter lässt sie sich durch einen Laserpuls entmagnetisieren. Forschende der Universität Duisburg-Essen haben gemeinsam mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin und weiteren Partner:innen herausgefunden, warum das so ist: Entscheidend ist die magnetische Ordnung an den Grenzflächen des Materials. Die Erkenntnisse könnten langfristig dazu beitragen, neue Technologien für die magnetische Datenspeicherung zu entwickeln. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Advanced Science veröffentlicht.
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