Kontrollierte Elektronenblitze

FAU-Wissenschaftler beschießen Wolframspitzen mit Laserstrahlen zweier Farben.

Die Emission von Elektronen aus einem Material unter Beleuchtung, die Photoemission, war in der Geschichte der Physik ein wichtiges Element, um die Entwicklung der Quantenmechanik voranzutreiben. Wissenschaftlern des Lehrstuhls für Laserphysik der FAU ist es nun gelungen, die Photoemission von scharfen Metallnadeln in bisher nicht erreichtem Ausmaß zu kontrollieren. Ihre Ergebnisse haben die Forscher in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Für dieses sogenannte Zwei-Farben-Experiment schickten die Forscher – Dr. Michael Förster, Timo Paschen, Dr. Michael Krüger und Prof. Dr. Peter Hommelhoff – zunächst einen Laserpuls von nur etwa 100 billiardstel Sekunden Dauer durch einen Kristall. Dieser Kristall verschmilzt jeweils zwei Photonen des Laserpulses miteinander. So entsteht zusätzlich zum eingestrahlten, starken Lichtpuls ein weiterer, schwacher Lichtpuls höherer Frequenz. Das Besondere daran: Die neuen Photonen besitzen genau die doppelte Energie der ursprünglichen Photonen. In einem Interferometer trennten die FAU-Wissenschaftler beide Farben und kontrollieren Schwingungsrichtung, Intensität und Zeitverzögerung der beiden Pulse.

Wenn die Laserpulse dann wieder gemeinsam auf die Wolframspitze treffen, wird Ihre Energie auf den Scheitelpunkt der Spitze konzentriert. Dadurch ist die Elektronenemission auf das Ende der Spitze beschränkt. Dabei beobachteten die Forscher, dass sie durch die Zeitverzögerung zwischen den beiden Laserpulsen die Elektronenemission bei optimal gewählten Parametern fast perfekt ein- und ausschalten können. Dies ist auf den ersten Blick überraschend, denn es befindet sich immer Lichtenergie (Photonen) auf der Spitze. Es ist also die relative Ankunftszeit der unterschiedlich farbigen Laserpulse, die darüber entscheidet, ob Elektronen emittiert werden oder nicht.

Dem Mechanismus der Kontrolle kamen die Forscher durch Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit Berechnungen durch Physiker der Technischen Universität Wien um Prof. Dr. Joachim Burgdörfer auf die Spur: Für die Emission können die Elektronen mit Photonen beider Pulse wechselwirken. Das führt zu zwei dominanten Emissionswegen, wobei die Zeitverzögerung zwischen den Pulsen bestimmt, ob diese beiden Wege zusammen oder gegeneinander arbeiten: Die Emission wird verstärkt oder unterdrückt, in sogenannter Quanten-Pfad-Interferenz.

Scharfe Metallspitzen dienen seit langem in höchstauflösenden Elektronenmikroskopen als nahezu punktförmige Elektronenquelle. Basierend auf den Ergebnissen dieses Experiments hoffen die Forscher zukünftig komplexe Elektronenpulse zu erzeugen, die für zeitaufgelöste Elektronenmikroskopie von Bedeutung sein könnten. Auch für Grundlagenuntersuchungen der Kohärenz an Oberflächen sind die experimentellen Ergebnisse von Interesse, da die Oberfläche der Nanostruktur besonders gut kontrollierbar ist und außerdem die Nanospitzen durch ihre kleinen Dimensionen zu außergewöhnlich klaren Messsignalen führen.

Die renommierte Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht die Ergebnisse nun in ihrer aktuellen Ausgabe als Editors´ Suggestion. Diese Rubrik dient dazu, den Lesern der wöchentlich erscheinenden Zeitschrift besonders interessante wissenschaftliche Ergebnisse vorzustellen und so den Blick über das eigene Forschungsgebiet hinaus zu ermöglichen.

doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.217601

Weitere Informationen:

Dr. Michael Förster
Tel.: 09131/85-28874
michael.foerster@fau.de