Elektronen-Kurzzug

  • 01. December 2017

Attosekunden-Elektronenmikroskopie erschließt winzige Raum- und Zeit­dimensionen bei Licht-Materie-Wechsel­wirkung.

Das elementarste Wechselspiel in der Natur ist das zwischen Licht und Materie. Diese Interaktion geschieht rasend schnell, innerhalb von Atto­sekunden. Was genau in diesen kurzen Zeiträumen passiert, blieb bisher meist im Verborgenen. Jetzt hat ein Team um Peter Baum und Yuya Morimoto vom Labor für Attosekunden­physik (LAP) der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) und des Max-Planck-Instituts für Quanten­optik (MPQ) eine neue Mikroskop-Technik entwickelt, mit deren Hilfe sich die Interaktion zwischen Licht und Materie in Echtzeit beobachten lässt.

Abb.: Überlagerung atomarer Beugungsbilder von kristallinen Proben, die im Abstand von Attosekunden aufgenommen wurden. (Bild: Baum / Marimoto)

Abb.: Überlagerung atomarer Beugungsbilder von kristallinen Proben, die im Abstand von Attosekunden aufgenommen wurden. (Bild: Baum / Marimoto)

Hierzu nutzten Baum und Morimoto Elektronen, die auf eine dielektrische Folie treffen. Dort werden sie über einen senkrecht dazu einfallenden Laserstrahl so moduliert, dass nach dem Durchgang durch die Folie eine Serie von Atto­sekunden-Impulsen entsteht: Pakete aus etwa 100 Einzel­impulsen, die jeweils rund 800 Atto­sekunden lang dauern.

Im Gegensatz zu optischen Attosekunden-Lichtblitzen haben die Elektronen-Pulszüge einen großen Vorteil für Anwendungen in der Mikroskopie: Sie haben eine viel kürzere Wellenlänge als konventionelle Lichtpulse. Damit werden auch Teilchen im Mikrokosmos sichtbar, die kleiner als Nanometer sind, zum Beispiel Atome. Zudem sind die Elektronen­blitze zeitlich gesehen viel kürzer als die Schwingung von Licht. Dies erlaubt es, ultraschnell ablaufende Prozesse in der Natur sichtbar zu machen.

Mit der neu entwickelten Technik ist es nun möglich, neue Einblicke in den Mikrokosmos zu erhalten. In einem ersten Experiment haben die Forscher ihre Attosekunden-Pulszüge auf einen Kristall aus Silikon treffen lassen. Dabei konnten sie beobachten, wie Licht an dem Kristall gebrochen, abgelenkt und sich weiter in Raum und Zeit ausgebreitet hat. Ebenso konnten die Forscher beobachten, wieviel Zeit vergeht, bis die Elektronen am Kristallgitter streuen. Man kann also direkt messen, wie die Elektronen in der Kristallprobe auf das Licht reagieren. Damit erreichen die Physiker subatomare Auflösung, können also in Zukunft die Geschehnisse in einem Atom in Echtzeit beobachten.

Mit ihrer Attosekunden-Elektronen­mikroskopie haben die Physiker eine Grundlage geschaffen, selbst kleinste und schnellste elektro­magnetische Felder des Lichts und ihre Wechselwirkung mit der Umgebung zu erkunden. Verbessern wollen die Forscher die Technologie nun, indem sie einzelne Atto­sekunden-Elektronen­blitze produzieren, um noch präziser das Geschehen im Mikrokosmos zu verfolgen. Die neue Technik könnte nun zum Beispiel für die Entwicklung von Meta­materialien dienen. Meta­materialien sind künstliche Nano­strukturen, deren Durchlässigkeit für elektrische und magnetische Felder von der in der Natur üblichen abweicht, so dass optische Phänomene entstehen, die sich mit herkömmlichen Stoffen nicht realisieren lassen. Meta­materialien eröffnen neuartige Perspektiven in der Optik und Opto­elektronik, und könnten zu Bausteinen für licht­getriebene Schaltkreise und Rechner der Zukunft werden.

MPQ / DE

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