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Elektronenmikroskopische Aufnahme eines magnetischen Nanodrahtes mit elektrischen Kontakten

Femtosekunden-Messtechnik und Nanomagnetismus

Arbeitsgruppe 2.52

Profil

Die Arbeitsgruppe Femtosekunden-Messtechnik und Nanomagnetismus beschäftigt sich mit der Entwicklung zeitaufgelöster optoelektronischer Messverfahren für elektrische Felder im GHz- und THz-Frequenzbereich. Basierend auf solchen optoelektronischen Abtastverfahren bietet die Arbeitsgruppe einen Kalibrierservice für die Zeitantwort von Sampling-Oszilloskopen und Photodioden mit einer Bandbreite bis zu 100 GHz an.

Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich ferner mit der Rückführung der Messung nanomagnetischer Größen. Hierbei liegt der aktuelle Fokus im Bereich der Magnetisierungsdynamik, der lokalen Streufeldmessungen sowie im Bereich der magneto-thermoelektrischen Messungen an magnetischen Nanostrukturen.

Des Weiteren werden in dieser Arbeitsgruppe Grundlagenuntersuchungen zu Ladungsträger- und Stromdynamik in Halbleitern durchgeführt. Solche Untersuchungen könnten für die zukünftige Charakterisierung von Höchstfrequenzkomponenten wichtig werden.

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Forschung/Entwicklung

Entwicklung zeitaufgelöster optoelektronischer Messverfahren

In den letzten Jahren sind die Taktfrequenzen elektronischer Bauteile der Informationsverarbeitungs- und Kommunikationstechnik stetig angestiegen. Dies stellt metrologische Staatsinstitute wie die PTB vor die Aufgabe, neue Verfahren zur rückführbaren Messung der Übertragungseigenschaften und Eigenanstiegszeiten von Höchstfrequenzelektronik zu entwickeln. Dazu bieten sich optoelektronische Messverfahren an, die auf Femtosekunden-Optik basieren. In der Arbeitsgruppe Femtosekunden-Messtechnik werden unter anderem solche neuartigen Messverfahren entwickelt.

Magnetische Abbildung

Der Bereich Magnetische Abbildung befasst sich mit der Charakterisierung nanoskaliger magnetischer Strukturen durch magnetische Kraftmikroskopie (Magnetic Force Microscopy - MFM) ergänzt u.a. durch Messungen mittels einem SQUID-Suszeptometer und Magnetotransport. Schwerpunkte der Arbeiten sind (i) Entwicklung von quantitativer Feldmesstechnik auf nm-Skala. Dabei wurden zum Beispiel Verfahrens für die rückführbare Messung von Magnetisierung und Feldern auf Nanometer-Skala entwickelt. (ii) Bereitstellung von Messtechnik für die Charakterisierung von Nanostrukturen.

Magnetisierungsdynamik

Ein wichtiger Punkt für die zukünftige Weiterentwicklung von magnetischen Speichermedien ist die maximale Geschwindigkeit, mit der die digitalen Daten auf dem Speicher abgelegt werden können. Da der Schreibvorgang aber letztendlich immer auf die Ummagnetisierung einer magnetische Zelle hinausläuft, ist dieser Punkt auch direkt mit einer grundlegenden physikalischen Fragestellung verknüpft: Wie schnell lässt sich die Magnetisierung eines Ferromagneten umkehren? Diese Fragestellung wird in den hier beschriebenen Arbeiten untersucht. Durch zeitaufgelöste Magnetotransportmessungen wird die ferromagnetische Präzessionsbewegung der Magnetisierung detektiert. Mit dieser Messmethode wird das ultra schnelle Schalten der Magnetisierung untersucht.

Zeitaufgelöste Licht-Materie Wechselwirkung

Für die Charakterisierung von Höchstfrequenzkomponenten ist es wünschenswert, ultrakurze Strompulse zu erzeugen, deren zeitliche Form man beliebig variieren kann. Bisherige Methoden zur Generation von wenigen 100 fs langen Strompulsen basieren auf einer Mischung von elektronischen und optischen Verfahren und lassen diese Möglichkeit nicht zu. In der Arbeitsgruppe Femtosekunden-Messtechnik werden unter anderem Verfahren untersucht, mit denen es möglich ist, ultrakurze Strompulse mit rein optischen Methoden zu erzeugen. Mit diesem Verfahren ist eine Variation der Form dieser Strompulse prinzipiell möglich.

Zur Erzeugung der rein optisch generierten Ströme werden spezielle Halbleiternanostrukturen in der PTB hergestellt und unter Beachtung bestimmter Symmetriebedingungen mit kurzen optischen Pulsen angeregt. Durch Ausnutzung nichtlinearer optischer Prozesse entsteht dabei ein Stromfluss im Halbleiter. Hierbei werden die Ladungsträger - anders als bei einem normalen Stromfluss - nicht in einem vorhandenen elektrischen Feld beschleunigt.

Nachgewiesen werden die Ströme über die gleichzeitig auftretende elektromagnetische Strahlung: Die Ströme erzeugen eine Polarisationsänderung, die als Quelle für in den freien Raum abgestrahlte elektromagnetische Wellen wirkt. Durch den kurzen optischen Anregungspuls sind die Strompulse und damit auch die abgestrahlten elektromagnetischen Pulse nur wenigen 100 fs lang. Solche kurzen Pulse beinhalten Frequenzkomponenten von mehreren Terahertz, weshalb standardmäßig von THz-Pulsen gesprochen wird. Mittels elektro-optischer Methoden werden die in den freien Raum abgestrahlten THz-Pulse messtechnisch charakterisiert.

Neben interessanten Perspektiven für Anwendungen kann diese THz-Technik auch für Grundlagenuntersuchungen zur Licht-Materie-Wechselwirkung verwendet werden. Insbesondere interessante Effekte von Ladungsträger und Stromdynamik in Halbleitern lassen sich damit untersuchen.

 

Siehe Publikationen für einen Überblick über ausgewählte Arbeiten zu allen hier aufgeführten Themen.

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Dienstleistungen

Breitbandige Sampling-Oszilloskope sind ein unentbehrliches Werkzeug für die Entwicklung ultraschneller elektronischer Schaltungen in der Datenverarbeitungs- und Kommunikationstechnik. Diese Oszilloskope besitzen sehr kleine Eigenanstiegszeiten und erlauben daher die zeitliche Darstellung ultraschneller elektrischer Signale. Die Anstiegszeit ist jedoch nicht Null, so dass die Messkurven verzerrt sein können. Um die Verzerrung zu korrigieren, muss der Anwender die Zeitantwort des Oszilloskops kennen. Zur deren Bestimmung bedarf es eines Messverfahrens mit noch höherer Zeitauflösung. Deshalb hat die PTB ein optoelektronisches Verfahren zur rückgeführten Bestimmung der Zeitantwort von ultraschnellen Sampling-Oszilloskopen entwickelt.

Dazu werden ca. 1 ps kurze Spannungsimpulse auf einem koplanaren Wellenleiter erzeugt, indem ein photoleitender Halbleiterschalter mit 100 fs kurzen Laserimpulsen kurzgeschlossen wird. Die Spannungsimpulse werden über eine Mikrowellen-Abtastspitzen in das Oszilloskop eingekoppelt. Ein elektro-optisches Abtastverfahren erlaubt die Vermessung der Spannungsimpulse auf dem Wellenleiter mit 300 fs Zeitauflösung. Aus solchen Messungen lässt sich die Verformung der Impulse auf dem Weg zum Oszilloskop bestimmen und die Form der Impulse am Oszilloskopeingang berechnen. Die Entfaltung der Oszilloskopkurve mit den bekannten Eingangsimpulsen liefert die Impulsantwort bzw. Übertragungsfunktion des Oszilloskops.

Ähnliche Methoden werden auch für die Charakterisierung der Zeitantwort von ultraschnellen Photodioden angewendet. Gegenwärtig kann ein Kalibrierservice für Sampling-Oszilloskope und Photodioden mit einer nominellen Bandbreite bis 100 GHz angeboten werden.

Opens external link in new windowLink zu den Kalibrier- und Messmöglichkeiten.

Siehe Publikationen für einen Überblick über ausgewählte Arbeiten zu diesem Thema.

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Informationen

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