Elektronenemissionen mit Laserpulsen exakt steuern

15. November 2016, 18:46
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Forschern aus Österreich und Deutschland gelang es, den Elektronenfluss aus Nano-Spitzen im Femtosekunden-Bereich zu kontrollieren

Wien – Legt man an eine feine Metallnadel eine Hochspannung an, treten aus der Spitze Elektronen aus. Das macht man sich im Elektronenmikroskop zunutze, wo ein so hergestellter Elektronenstrahl Proben abtastet. Forscher aus Wien und Erlangen berichten nun im Fachjournal "Physical Review Letters" über eine neue Methode, mit Hilfe von Laserpulsen diese Elektronenemission viel genauer zu steuern als bisher.

Mithilfe der Nanotechnologie lassen sich heute bereits extrem feine Metallspitzen herstellen, mit bis zu fünf Nanometer dünnen Enden. Damit kann man präzise die Elektronen in eine Richtung senden. Doch über den Zeitpunkt der Emission hat man keine Kontrolle. "Wenn man an die Spitze Hochspannung anlegt, ist das ein stochastischer Prozess, das heißt es kann jederzeit ein Elektron kommen oder auch nicht, das kann man nicht wirklich steuern", sagt Christoph Lemell vom Institut für Theoretische Physik der Technischen Universität (TU) Wien.

Laserkombination

Lemell und seine Wiener Kollegen haben in Computersimulationen eine völlig andere Möglichkeit zur Emissionskontrolle vorhergesagt, die von Kollegen der Universität Erlangen (Deutschland) experimentell bestätigt wurde. Sie verwenden dazu zwei Laserpulse unterschiedlicher Wellenlänge, die auf die Metallspitze geschossen werden. Das elektrische Feld des Lasers reißt dabei Elektronen aus der Spitze.

"Aufgrund der Geometrie ist die Feldstärke des Lichts direkt an der Spitze verstärkt. Dadurch ist auch die Emission an der Spitze sehr lokalisiert und die Elektronen verlassen sehr gerichtet die Spitze", sagte Lemell. Durch die Kombination von zwei verschiedenen Lasern könne man aber auch den Zeitpunkt der Elektronenemission im Femtosekunden-Bereich exakt kontrollieren.

Dazu müssen die Lichtteilchen des einen Lasers genau doppelt so viel Energie haben wie jene des anderen Lasers und einer der beiden perfekt im gleichen Takt schwingenden Laserpulse zeitlich verzögert werden. Aufgrund eines Quanteneffekts kann man durch präzise Kontrolle der beiden Laser einstellen, ob Elektronen emittiert werden oder nicht.

Die neue Methode eignet sich auch zur Steuerung einer Elektronenquelle, wie sie für die Herstellung von Röntgenstrahlung notwendig ist. "Je genauer diese Quelle zeitlich wie örtlich definiert ist, desto einfacher kann man auch die Elektronen entsprechend manipulieren, um Röntgenstrahlen zu erzeugen", sagte Lemell. (APA, 15. 11. 2016)

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