Attosekunden-Pulse im Elektronenmikroskop

  • 26. January 2018

Neue Methode erlaubt die Messung des Quantenzustands freier Elektronen.

Foto­grafiert man eine Person, die sich zu schnell bewegt, erscheint sie auf dem Foto unscharf. Da helfen nur eine kürzere Belich­tungszeit oder ein Blitz. Dieser verkürzt das Zeit­intervall, in dem viel Licht auf den Kamera­chip fällt, so stark, dass die Person in der Bewegung einge­froren erscheint. Nach dem gleichen Prinzip funk­tionieren ultra­schnelle Elektronen­mikroskope: Hier übernehmen sehr kurze Elektronen­pulse die Rolle des Blitzes beim Foto­grafieren. Forschern der Univer­sität Göt­tingen ist es nun gelungen, Elektronen­blitze zu formen und zu messen, die kürzer als ein einzelner Licht­zyklus sind.

Abb.: Ein Elektronenstrahl wird durch Wechselwirkung mit intensiven Lichtfeldern zeitlich so strukturiert, dass er aus einer periodischen Abfolge von ultrakurzen Pulsen besteht. (Bild: U. Göttingen)

Abb.: Ein Elektronenstrahl wird durch Wechselwirkung mit intensiven Lichtfeldern zeitlich so strukturiert, dass er aus einer periodischen Abfolge von ultrakurzen Pulsen besteht. (Bild: U. Göttingen)

Die Arbeits­gruppe um Claus Ropers hat den Elektronen­strahl durch Wechsel­wirkung mit inten­siven Licht­feldern zeitlich so struk­turiert, dass er aus einer perio­dischen Abfolge von ultra­kurzen Pulsen besteht. Die Elektronen­blitze sind nur jeweils wenige hundert Atto­sekunden lang. Die Dauer dieser Elektronen­blitze bestimmt die Zeit­auflösung, das heißt je kürzer die Pulse, desto schneller die Prozesse, die beobachtet werden können. Das Forscher­team hat in seinen Experi­menten ein Elektron mithilfe von Laser­licht in einen quanten­mechanischen Über­lagerungs­zustand aus verschie­denen Geschwin­digkeiten gebracht. Im weiteren Flug des Elektrons durch das Elektronen­mikroskop bildet sich dadurch ein zeit­licher Kamm mit kurzen Zacken aus – wie bei einem Wettlauf, in dem die lang­samsten Läufer zuerst und die schnellsten zuletzt starten, sodass alle gleich­zeitig im Ziel eintreffen.

Der quanti­tative Nachweis dieser Atto­sekunden-Zeit­struktur gelang den Forschern in Zusammen­arbeit mit Thorsten Hohage vom Institut für Nume­rische und Ange­wandte Mathe­matik der Univer­sität Göt­tingen. Gemeinsam ent­wickelten sie eine Methode, die den Quanten­zustand freier Elektronen rekon­struiert. Die voll­ständige Beschreibung des Quanten­zustands wird erreicht, indem sowohl die Geschwindig­keitsver­teilung als auch die Phase der Elek­tronen bestimmt wird.

Die Göttinger Forscher über­tragen damit erstmals Konzepte der Tomo­graphie, wie sie aus der Medizin oder der Quanten­physik des Lichts bekannt sind, auf einen Strahl freier Elek­tronen. Katha­rina Priebe, die maßgeb­lich an der Arbeit beteiligt war, sagt: „Mit unseren zeitlich struk­turierten Elektronen­pulsen wird es in Zukunft möglich sein, nicht nur die Bewegung von Atomen, sondern auch von den noch viel schnel­leren Elek­tronen in Fest­körpern sowohl mit hoher räum­licher als auch zeit­licher Auflösung zu unter­suchen.“

GAU / JOL

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