Lichtkräfte auf einen Indiumatomstrahl

Abstract

Die atomare Nanostrukturierung (atomic nanofabrication, ANF), d. h. das kontrollierte Abscheiden von Atomen auf einem Substrat bietet interessante Perspektiven, wenn zwei atomare Spezies benutzt werden. Besonders interessant ist es, wenn die magnetischen und/oder elektronischen Eigenschaften der Atome eine weitere Verwendung der abgelagerten Strukturen selbst ermöglichen. Insbesondere gilt dies für Atome aus der dritten und fünften Hauptgruppe, aus deren Mischung dotierte Halbleiter hergestellt werden können.<br /> In dieser Arbeit wurde untersucht, ob Indium ein möglicher Kandidat für die Nanostrukturierung bzw. Atomlithographie ist. Dafür mussten bekannte Methoden für die Herstellung und Stabilisierung des für die Laserkühlung notwendigen Lichts an die besonderen Eigenschaften von Indium angepasst werden. Diese Maßnahmen wurden in den Kapiteln 1 bis 2.3 vorgestellt. Insbesondere konnte eine neuartige Hohlkathodenlampe zur Stabilisierung des 451 nm Lichts konstruiert und ihre Eigenschaften in Kapitel 2.2.2 bestimmt werden. Die Spektroskopie von Indium mit dem 451 nm und dem 410 nm Licht gab dabei erste Hinweise darauf, dass die in vielen Lehrbüchern verwendeten Formeln für die Atom-Licht-Wechselwirkung für ein Zweiniveauatom nicht direkt auf das Indiumatom übertragen werden können. Dies konnte durch weitere Experimente am Atomstrahl verifiziert werden. Insbesondere die in bisherigen Arbeiten vernachlässigte Zeemanstruktur der einzelnen Hyperfeinniveaus spielt für die Laserkühlung eine entscheidende Rolle. In Kapitel 4.1 wurde gezeigt, dass durch ein angelegtes Magnetfeld offene Zerfallskanäle geschlossen und die physikalischen Vorgänge mit einem Modellsystem verstanden werden können. Damit war es zum ersten Mal möglich, makroskopische Dopplerkräfte auf einen Indiumatomstrahl auszuüben und ihn in transversaler Richtung zu verschieben. Mit den an das Indiumatom angepassten Gleichungen für Streuraten und Spontankräfte konnten in Kapitel 4.2 diese Messwerte auch quantitativ berechnet werden. Mithilfe der so gewonnenen Parametern des vorgestellten Experiments wurden in Kapitel 4.3 Vorhersagen für eine mögliche Dopplerkühlung des Indiumatomstrahls berechnet. Insbesondere wurde festgestellt, dass nur eine Mehrfachreflexion der für die Kühlung nötigen Stehwelle dies ermöglichen kann. Allerdings zeigt sich, dass die geringen Dopplerkräfte durch einen anderen Effekt verdeckt werden. Das in Kapitel 4.4 beschriebene am Atomstrahl gemessene transiente Kühlen arbeitet mit einer optimalen Frequenz, die oberhalb der Resonanzfrequenz des Indiumatoms liegt und somit gerade das umgekehrte Vorzeichen zur Dopplerkühlung aufweist. Es konnte gezeigt werden, dass diese Kühlmethode den Atomstrahl innerhalb eines begrenzten Einfangbereichs äußerst effektiv auf Temperaturen unterhalb der Dopplertemperatur kühlen kann. Durch eine weitere Rechnung mit einem Modellsystem konnte insbesondere nachgewiesen werden, dass es sich bei den beobachteten Kühlkräften um transientes Kühlen handelt. <br /> Die Möglichkeit für die direkte Deposition von Indium auf ein Substrat wurde in Kapitel 3.1 untersucht. Hier stellte sich heraus, dass Indium bei Raumtemperatur auf verschiedenen Materialien zu Inselwachstum neigt und Tropfen bildet. Da die Depositionszeit für den hier benutzten Atomstrahl sehr groß ist, wurde außerdem die Möglichkeit der Abscheidung auf ein organisches Resistmaterial untersucht. Hierbei konnte die bisher unbekannte für die Zerstörung des Resistmaterials benötigte minimale Dosis von 12 Monolagen Indium bestimmt werden. Dies ermöglicht eine deutlich kürzere Schreibzeit und kann daher für erste Lithographieexperimente mit dem gekühlten Indiumatomstrahl benutzt werden.