Physiker der Universität Konstanz, der Ludwig-Maxi­milians-Universität München (LMU München) und der Universität Regensburg haben experimentell nachgewiesen, dass ultrakurze Elektronen­pulse durch die Interaktion mit Lichtwellen in nano­photonischen Materialien eine quanten­mechanische Phasen­verschiebung erfahren. Damit lässt sich die Funktionsweise von Nano­materialien bei Licht­einstrahlung direkt sichtbar machen.

Metamaterialien zeigen neuartige optische Effekte zur Entwicklung von besonders effizienten Solarzellen, Tarnkappen oder Katalysatoren. Diese Materialien erzielen ihre außer­gewöhnlichen Eigenschaften durch eine rasterförmige Anordnung kleinster Bausteine auf Längenskalen deutlich unterhalb der Wellenlänge des Anregungslichtes. Um solche Meta­materialien charakterisieren und weiter­entwickeln zu können, müssen die Wissenschaftler verstehen, wie sich die einfallenden Lichtwellen an den kleinen Strukturen verhalten und mit ihnen interagieren. Folglich müssen die optisch angeregten Nano­strukturen und ihre elektro­magnetischen Nahfelder sowohl mit einer räumlichen Auflösung im Bereich von Nanometern als auch mit einer zeitlichen Auflösung unterhalb des Anregungszyklus (~10^-15 s) vermessen werden. Die herkömmliche Licht­mikroskopie allein gelangt hier jedoch an ihre Grenzen.

Aber Elektronen bieten eine 100.000-fach bessere räumliche Auflösung als Licht. Darüber hinaus dienen Elektronen mittels ihrer Ladung auch als Sensoren für elektro­magnetische Felder und Potentiale. Jetzt gelang es einem Team unter der Leitung von Peter Baum, extrem kurze Elektronen­impulse erfolgreich für eine derartige Messung einzusetzen. Die Dauer der Elektronen­impulse wurde dafür mittels Terahertz-Strahlung in der Zeit so stark komprimiert, dass die Forschenden die optischen Schwingungen der elektro­magnetischen Nahfelder an den Nanostrukturen detailliert auflösen konnten. „Die Heraus­forderung bei diesem Experiment besteht in der hohen Auflösung, die gleichzeitig in Raum und Zeit gewährleistet werden muss. Um Raumladungs­effekte zu vermeiden, verwenden wir nur einzelne Elektronen pro Impuls und beschleunigen diese Elektronen auf Energien von 75 Kiloelek­tronenvolt“, sagt Baum.

Werden diese extrem kurzen Elektronen­impulse an den Nano­strukturen gestreut, inter­ferieren sie aufgrund ihrer quanten­mechanischen Eigenschaften mit sich selbst und erzeugen ein Beugungsbild der Probe. Die optische Anregung der Nano­strukturen wird nach dem Pump-Probe-Prinzip untersucht. Nach der optischen Anregung der Nahfelder kommt zu einem definierten Zeitpunkt der ultrakurze Elektronen­impuls und misst die zeitlich eingefrorenen Felder in Raum und Zeit. „Gemäß den Vorhersagen von Aharonov und Bohm verschiebt sich die quanten­mechanische Phase der Wellen­funktion der Elektronen, wenn sie durch elektromagnetische Potentiale fliegen“, sagt Kathrin Mohler, Doktorandin an der LMU München.

Diese optisch induzierten Phasen­verschiebungen liefern einen Einblick in die ultraschnelle Lichtdynamik an den Nanostrukturen, so dass letztlich eine filmartige Bildersequenz von der Wechsel­wirkung des Lichts mit den Nanostrukturen entsteht. Diese Experimente zeigen auf, wie sich in Zukunft mit der Elektronen­holografie und -beugung die grundlegenden Licht-Materie-Wechselwirkungen in nano­photonischen Materialien und Meta­materialien besser verstehen lassen. Dadurch könnten kompakte Optiken, neuartige Solarzellen oder effiziente Kata­lysatoren entwickelt und optimiert werden.

U. Konstanz / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  K. J. Mohler et al.: Ultrafast electron diffraction from nanophotonic waveforms via dynamical Aharonov-Bohm phases, Sci. Adv. 6, eabc8804 (2020); DOI: 10.1126/sciadv.abc8804
• Licht-Materie-Wechselwirkungen (P. Baum), Fachbereich Physik, Universität Konstanz
• Ultrafast Electron Imaging Research Group, Ludwig-Maximilians Universität München