Physiker dringen mit ultrakurzen Elektronenpulsen in neue Dimensionen vor

17. Februar 2017, 14:45
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Neue Methode ermöglicht Beobachtung von Bewegungen auf atomarer Ebene

Erlangen – In der Fotografie gilt: Je kürzer die Belichtungszeit, umso schnellere Bewegungen lassen sich auf einer Aufnahme gleichsam einfrieren. Ähnliches gilt auch für Ereignisse auf molekularer Ebene. Dort allerdings laufen die Bewegungen mit kaum fassbaren Geschwindigkeiten ab. Deutschen Physikern ist es nun gelungen, mithilfe von Elektronenpulsen bisher unerreicht kurze "Belichtungszeiten" zu erreichen. Ihr Verfahren könnte in naher Zukunft dazu verwendet werden, Elektronenmikroskope für ultrakurze Zeitskalen, etwa zur Beobachtung von Atombewegungen, zu entwickeln.

Trotz ihrer enormen Auflösung haben moderne Elektronenmikroskope einen Nachteil: Ultraschnelle Reaktionen, etwa das Aufbrechen chemischer Verbindungen oder Schwingungen von Atomen, lassen sich damit nicht festhalten. Aus diesem Grund wurden in den letzten Jahren Geräte entwickelt, die mit Elektronenpulsen arbeiten. "Man kann das mit einem Stroboskop vergleichen, das die Bewegung des Untersuchungsobjektes mithilfe einer schnellen Blitzfolge abbildet", erklärt Peter Hommelhoff von der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU). "Dieses Prinzip wird jetzt auch mit Elektronenpulsen funktionieren."

Neue Dimension

Die besondere Herausforderung dabei ist, möglichst kurze Pulse zu erzeugen. Denn je kürzer ein Elektronenpaket ist, umso kleiner ist auch die Zeitskala, auf der atomare Bewegungen abgebildet werden können. Genau hier sind die Forscher um Hommelhoff jetzt in neue Dimensionen vorgedrungen: Ihnen ist es gelungen, einen Elektronenstrom durch Laser so zu manipulieren, dass periodische Elektronenpakete mit einer Länge von 1,3 Femtosekunden entstehen. Eine Femtosekunde entspricht dem millionsten Teil einer milliardstel Sekunde.

Dafür haben die Physiker einen Elektronenstrahl über die Oberfläche eines Siliziumgitters geleitet und ihn dort in zwei Abschnitten mit dem optischen Feld von Laserpulsen überlagert. "Über den Laser steuern wir die Frequenz des periodischen Feldes und synchronisieren sie mit der Geschwindigkeit der Elektronen. Dadurch gewinnen oder verlieren die Elektronen Energie, und wir können aus einem kontinuierlichen Strahl ultrakurze Pakete erzeugen", meint Martin Kozák, Erstautor der Studie.

Pulse im Attosekundenbereich

Zusätzlich zur kontrollierten Beschleunigung und Abbremsung ist es den Physikern gelungen, die Elektronen am schräggestellten Siliziumgitter mit Laserpulsen seitlich abzulenken. Je nachdem, wann genau die Elektronen mit dem Laserfeld wechselwirken, werden sie in die eine oder in die andere Richtung abgelenkt. Die Detektion der so entstehenden Elektronenverteilung wird beispielsweise bei Schmierbildkameras angewandt, mit denen bisher schon zeitliche Auflösungen im Femtosekundenbereich realisiert werden.

Die Erlanger Methode wird jedoch zeitliche Auflösungen im Attosekundenbereich erlauben, also im milliardsten Teil einer milliardstel Sekunde. Schmierbildkameras werden unter anderem eingesetzt, um die Ausbreitung von Licht zu beobachten. (red, 17.2.2017)

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