Elektronen in der Paul-Falle

  • 10. May 2011

Durch elektrische Felder alleine können Elektronen wie in einem Wellenleiter geführt werden.

Elektronen haben der Formulierung der Quantenmechanik einen entscheidenden Impuls gegeben. Denn an ihnen manifestierte sich erstmals experimentell der bereits von Louis de Broglie vorausgesagte Wellencharakter elementarer Teilchen. Auch heute noch lässt sich aus ihrem Verhalten viel über die fundamentalen Gesetze der Natur lernen. Entsprechende Messungen werden bisher vor allem in sogenannten Penning-Fallen durchgeführt, bei denen eine Kombination von elektrischen und magnetischen Feldern die Elektronen in geordnete Bahnen zu lenken vermag.

(a) Die Elektronen treten aus dem Ofen aus, werden bei eingeschaltetem Wechselfeld abgelenkt (orange Linie) und laufen sonst geradlinig weiter (blaue Linien). Am Ende der Struktur befindet sich ein Detektor, welcher den abgelenkten und gebündelten Strahl als hell leuchtenden Fleck (b) und den ungestört weiterlaufenden Strahl auf Grund seiner Divergenz als diffus erhelltes Gebiet (c) abbildet.

Abb.: (a) Die Elektronen treten aus dem Ofen aus, werden bei eingeschaltetem Wechselfeld abgelenkt (orange Linie) und laufen sonst geradlinig weiter (blaue Linien). Am Ende der Struktur befindet sich ein Detektor, welcher den abgelenkten und gebündelten Strahl als hell leuchtenden Fleck (b) und den ungestört weiterlaufenden Strahl auf Grund seiner Divergenz als diffus erhelltes Gebiet (c) abbildet. (Bild: P. Hommelhoff / MPQ)

Für eine Reihe von Experimenten mit propagierenden Elektronenstrahlen, wie zum Beispiel der Interferenz von langsamen Elektronen, wäre es von Vorteil, auf den Einsatz magnetischer Felder zu verzichten und die Elektronen mit rein elektrischen Wechselfeldern zu führen, sowie es seit Jahrzehnten für den Einfang elektrisch geladener Atome (Ionen) üblich ist. Die hier verwendeten sogenannten Paul-Fallen basieren auf vier Elektroden, an denen eine elektrische Wechselspannung anliegt, die mit Radiofrequenzen schwingt. Netto ergibt sich dabei eine rückstellende Kraft, welche die Teilchen im Zentrum der Falle festhält. Die Gruppe „Ultraschnelle Quantenoptik“ von Peter Hommelhoff am Max-Planck-Institut für Quantenoptik wendet diese Technik nun erstmals auf Elektronen an. Dabei ist zu beachten, dass die Elektronen ungefähr 10.000mal leichter als Ionen sind und damit viel schneller auf elektrische Felder reagieren als die vergleichsweise schweren und trägen Ionen. Die Frequenz, mit der die Spannung an den Elektroden umgepolt wird, muss daher für das Fangen von Elektronen viel größer sein und liegt bei einigen Gigahertz.

In ihrem Experiment verwenden die Garchinger Physiker Elektronen aus einer thermischen Elektronenquelle, bei der ein Wolframdraht wie in einer Glühbirne geheizt wird und die austretenden Elektronen zu einem parallelen Strahl mit einer Energie von einigen Elektronenvolt gebündelt werden. Von dort werden die Elektronen in den „Wellenleiter“ eingekoppelt. Das ist eine Struktur aus fünf auf einem flachen Substrat gefertigten, parallel verlaufenden Elektroden, an denen eine Wechselspannung mit einer Frequenz von etwa einem Gigahertz anliegt. In einer Entfernung von einem halben Millimeter über den Elektroden entsteht dadurch ein oszillierendes Quadrupolfeld, das Elektronen im Zentrum des Feldes quer zu den Elektroden einschließt. Parallel zu den Elektroden wirkt dagegen keine Kraft auf die Teilchen, so dass sich diese frei entlang des „Leiters“ bewegen können. Insgesamt werden die Elektronen dadurch gezwungen, dem Verlauf der Elektroden auf dem Substrat zu folgen. Der Einschluss in radialer Richtung ist außerordentlich stark, so dass die Elektronen selbst kleinräumigen Richtungsänderungen folgen. Um den Effekt der Elektronenführung besser demonstrieren zu können, haben die Elektroden die Form eines 37 Millimeter langen Ausschnitts aus einem Kreisbogen (mit einem Radius von 40 Millimetern).

In Zukunft wollen die Wissenschaftler den neuartigen Wellenleiter mit einer besseren Elektronenquelle kombinieren, die auf der Feldemission von atomar scharfen Metallspitzen beruht. Hier gelingt es bereits, den Elektronenstrahl so scharf zu bündeln, dass seine transversale Komponente nur durch die Heisenbergsche Unschärferelation begrenzt ist.

MPQ / KK

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