Forschung

Exakte Beschreibung der Wechselwirkung zwischen Elektronen und Licht

01.09.2020 - Neue Simulationsmethode für die Nanooptik entwickelt.

Dank ihrer hohen Auflösung lassen sich mit Elektronen­mikroskopen die Eigen­schaften von Materialien auf atomarer Ebene unter­suchen und damit auch quanten­physikalische Grund­lagen beobachten. Besonders aufschluss­reich sind dafür die Wechsel­wirkungen zwischen Elektronen und Photonen. Werden Elektronen mit Laserlicht bestrahlt, ändern sich zum Beispiel ihre Energie und ihre Geschwin­dig­keit. Mit Methoden, die Elektrone­nmikroskopie und Laser­technik kombinieren, lassen sich diese Prozesse von wenigen Femto­sekunden abbilden.

Nahid Talebi von der Uni Kiel hat eine neue Methode entwickelt, um diese Wechsel­wirkungen zwischen Elektronen und Licht so genau wie aktuell möglich zu simulieren, ohne dafür auf ungenaue Näherungs­methoden zurück­greifen zu müssen. Dafür kombinierte sie die Schrödinger- und die Maxwell-Gleichung in einer zeit­abhängigen Schleife mitein­ander. Ihre Simulation bildet diese ultra­schnellen Prozesse erstmals in Echtzeit ab.

Simulationen von Wechselwirkungen zwischen Licht und Elektronen können zwar Aufschlüsse über Grund­lagen der Quanten­physik geben, sind jedoch zeit­auf­wändig und lassen sich nur mit Hochleistungs­computern durch­führen. „Deshalb wird oft nur mit Näherungs­werten und ein­dimen­sionalen Elektronen­modellen gearbeitet. Damit lassen sich aber nicht alle Inter­aktionen abbilden“, erklärt Talebi. Ihre Simulation zeigt für jeden Zeitpunkt der Interaktion zwischen Elektron und Licht, wie sich jeweils Energie, Impuls und generelle Form der Wellen­pakete der Elektronen ändern.

Mit ihrer Methode konnte Talebi außerdem erstmals ein besonderes Beugungs­muster in einer Simulation beobachten, das spezielle Wechsel­wirkungen zwischen Elektronen und Photonen zeigt, den Kapitza-Dirac-Effekt. Dieses Muster lässt zum Beispiel weitere Rück­schlüsse auf Eigen­schaften der unter­suchten Material­probe zu, wie die Änderung von Ladungs­trägern. Es könnte daher in zeit­aufge­lösten Holografie­verfahren genutzt werden.

"Wir haben damit zwar bereits einen großen Schritt hin zu einem besseren Verständnis von Elektronen-Licht-Wechsel­wirkungen gemacht, planen aber, die Methode noch weiter­zu­entwickeln. Zum Beispiel um auch relativis­tische Effekte und Spin-Eigen­schaften abzubilden, die das Verhalten von Elektronen in Festkörpern ebenfalls beeinflussen“, so Talebi. Sie und ihr Team wollen in einem nächsten Schritt außerdem Inter­aktionen zwischen mehreren Elektronen unter­einander beschreiben können.

Die Erkenntnisse, die Talebi durch ihre theoretischen Simulationen über das Verhalten von Elektronen gewinnt, will sie auch dafür nutzen, um Elektronen­mikroskope weiter­zu­entwickeln. Ziel ihres Projektes „NanoBeam“ ist es unter anderem, neue Messmethoden für Raster­elektronen­mikroskope entwickeln, um damit ultra­kurze Prozesse auf Nanoebene besser unter­suchen zu können.

CAU / RK

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