Terahertz-Licht steuert und charakterisiert Elektronen in Raum und Zeit

Wissenschaftler der Universität Konstanz haben die ultraschnelle Elektronenmikroskopie auf eine bisher unerreichte Zeitauflösung gebracht. Wissenschaftliche Fortschrittepräsentiert das Forschungsteam eine Methode zur rein optischen Steuerung, Kompression und Charakterisierung von Elektronenpulsen in einem Transmissionselektronenmikroskop mit Terahertzlicht. Darüber hinaus haben die Forscher erhebliche Antikorrelationen im Zeitbereich für Zwei-Elektronen- und Drei-Elektronen-Zustände entdeckt, die tiefere Einblicke in die Quantenphysik freier Elektronen ermöglichen.

Hintergrund und Herausforderungen

Die ultraschnelle Elektronenmikroskopie ist eine hochmoderne Technik, die die räumliche Auflösung der herkömmlichen Elektronenmikroskopie mit der zeitlichen Auflösung ultraschneller Femtosekunden-Laserpulse kombiniert. Diese leistungsstarke Kombination ermöglicht es Forschern, Atome und Elektronen in Bewegung zu beobachten und dynamische Prozesse in Materialien mit beispielloser Klarheit zu erfassen. Durch die Visualisierung dieser schnellen Ereignisse in Raum und Zeit können Wissenschaftler tiefere Einblicke in die grundlegenden Mechanismen gewinnen, die Materialeigenschaften und -übergänge bestimmen, und so Fortschritte in Forschungsbereichen wie Nanotechnologie, Optik, Materialwissenschaft und Quantenphysik erzielen.

Obwohl die ultraschnelle Elektronenmikroskopie im Prinzip die Beobachtung atomarer und elektronischer Bewegungen auf fundamentalen räumlichen und zeitlichen Skalen ermöglicht, ist die Erfassung dieser schnellen Dynamiken aufgrund der begrenzten Dauer der Elektronenpulse nach wie vor eine Herausforderung. Die derzeit üblichen Elektronenpulse dauern etwa 200 Femtosekunden und sind damit zu lang, um viele fundamentale Reaktionsprozesse in Materialien und Molekülen aufzuklären. Um grundlegende Reaktionswege und kollektive Atombewegungen, sogenannte Phononenmodi, in Echtzeit zu beobachten, wären zehnmal kürzere Pulse erforderlich.

Erzeugung ultrakurzer Elektronenpulse

Nun hat das Konstanzer Team einen bahnbrechenden Ansatz vorgestellt, mit dem die Zeitauflösung der Transmissionselektronenmikroskopie von Hunderten auf Zehntel Femtosekunden erhöht werden kann. Die Forscher nutzen einen einzigen optischen Zyklus von Terahertzlicht, um die Elektronenpulse räumlich und zeitlich auf den Dimensionen eines einzyklischen Laserlichts zu manipulieren. Mit dieser Methode bleibt nicht nur die räumliche Auflösung des Elektronenmikroskops erhalten, sondern auch seine zeitliche Auflösung wird so weit verbessert, dass atomare und möglicherweise sogar elektronische Bewegungen auf fundamentalen Skalen visualisiert werden können.

„Eine der größten Herausforderungen bei der ultraschnellen Elektronenmikroskopie ist die unvermeidliche Energiebandbreite der ultraschnellen Photoemission einer lasergesteuerten Nadelspitze. Aufgrund der Dispersion des Vakuums für nichtrelativistische Elektronen mit Ruhemasse führt diese Energiebandbreite unvermeidlich zu einer quantenmechanischen Wellenpaketdispersion und einer zeitlichen Verlängerung der Pulse“, erklärt Peter Baum, Leiter der Gruppe Licht und Materie an der Universität Konstanz.

Das Team überwand dieses Problem, indem es den elektrischen Feldgradienten von Terahertz-Impulsen nutzte, um den hinteren Teil der Elektronenwellenfunktion zu beschleunigen und den vorderen Teil abzubremsen, was zu deutlich komprimierten Impulsen in der Probe führte. Aufgrund des begrenzten verfügbaren Platzes im Mikroskop erreichte das Team diese Kontrolle durch den Einsatz eines metallischen Parallelplatten-Wellenleiters, um die notwendigen Subzyklus-Feld-Elektronen-Wechselwirkungen bei ausreichender räumlicher Homogenität und minimierten Aberrationen zu erzeugen.

„Ein wesentlicher Aspekt unseres Ansatzes sind die speziellen elektrischen und magnetischen Felder, die im Wellenleiter erzeugt werden. Indem wir einen Wellenleiter entwerfen, der eine stehende Terahertz-Welle mit präziser Phasenkontrolle erzeugt, können wir elektrische Felder verstärken und gleichzeitig unerwünschte Magnetfelder auslöschen. Diese Konfiguration ermöglicht die Beschleunigung und Verzögerung von Elektronenimpulsen, ohne räumliche Aberrationen einzuführen“, fasst Joel Kuttruff zusammen, der Doktorand, der das Experiment entworfen hat.

Mithilfe dieser Idee gelang es dem Team, die Elektronenpulse von über 200 Femtosekunden auf nur 19 Femtosekunden zu komprimieren. Dieser Fortschritt erweitert die Zeitauflösung der Elektronenmikroskopie in den Bereich der fundamentalen Atomdynamik und Reaktionswege.

„Auch bei der verbesserten zeitlichen Auflösung bleibt die räumliche Auflösung des Mikroskops nahezu unverändert“, sagt Baum. In den Experimenten demonstrieren Mikroskopbilder und Beugungsmuster von Goldnanopartikeln und Siliziumkristallen diese klaren und präzisen Abbildungsfähigkeiten bei einer bisher unerreichten Auflösung im Zeitbereich.

Korrelationen in Mehrelektronenzuständen

In einer ersten Anwendung ihrer neuen Fähigkeiten haben die Forscher Zwei- und Drei-Elektronen-Zustände gemessen und erhebliche Antikorrelationen im Zeitbereich entdeckt, die tiefere Einblicke in die Wechselwirkungen und Dynamik von Mehrelektronensystemen ermöglichen.

„Wenn ein Elektron früher ankommt, kommt das andere später an und umgekehrt, wodurch eine klare zeitliche Trennung zwischen den beiden entsteht“, erklärt David Nabben, Postdoktorand im Team. „Diese Antikorrelation ist das Ergebnis gegenseitiger Coulomb-Kräfte und der Wellenpaketdispersion während der Freiraumausbreitung.“

Die Fähigkeit, Doppelelektronen oder Dreifachelektronen und ihre Korrelationen im Zeitbereich zu messen, ist von entscheidender Bedeutung für die Weiterentwicklung unseres Verständnisses der Quantenmechanik im Bereich von Fluktuationen und Rauschen.

„Durch die präzise Kontrolle und Beobachtung freier Elektronen und ihrer Wechselwirkungen legen wir den Grundstein für zukünftige Forschungen, die darauf abzielen, fundamentale Quantenphänomene wie Elektronenpaarung und -verschränkung mit beispielloser Detailgenauigkeit zu untersuchen“, beschreibt Baum die Bedeutung dieser Arbeit. „Diese Fähigkeit zusammen mit unserem neuartigen Regime der Zeitauflösung wird möglicherweise zu neuen Quantentechnologien führen und unser Wissen über das Verhalten von Materialien auf atomarer Ebene erweitern.“