Physiker messen Energieunterschied zwischen zwei Elektronen in ultrakurzen Elektronenpulsen

Elektronenmikroskope werden in der heutigen Zeit vielfältig in der Industrie sowie der Forschung eingesetzt, wenn kleinste Strukturen beobachtet werden sollen. Seit einiger Zeit nutzen Forschende kürzeste Laserpulse, um die Elektronenquellen dieser Mikroskope, meist nadelförmige Spitzen aus Metall, in einem gepulsten Modus zu betreiben. Damit ist es möglich nicht nur sehr kleine, sondern auch sehr schnelle Prozesse zu beobachten. Ein Problem ist hierbei jedoch, was passiert, wenn mehrere Elektronen auf einmal auf diesen Skalen ausgelöst werden.

Dabei geht es um ein vergleichsweise anschauliches Problem. Bereits in der Oberstufe der Schule wird unterrichtet wie sich zwei gleiche Ladungen im freien Raum abstoßen. Werden beispielsweise mehrere Elektronen von derselben Quelle sehr kurz nacheinander ausgelöst, so werden sie aufgrund dieser sogenannten Coulomb-Abstoßung mit unterschiedlicher Energie gemessen. Typischerweise sind einzelne Elektronen jedoch nicht kontrollierbar genug, um diese Effekte zwischen nur zwei Teilchen messen zu können. Dies ist nun Physikern um Prof. Hommelhoff an der FAU gelungen, welche Elektronen aus nanometergroße Spitzen mit Hilfe von Femtosekunden-kurzen Laserpulsen ausgelöst haben. Eine Femtosekunde entspricht dem Millionstel einer Milliardstel Sekunde. Durch anschließende Filterung der Anzahl der Elektronen pro Puls konnten somit die Eigenschaften von zwei-Elektronen-Pulsen genauestens vermessen werden. Dabei wurde ein sehr deutlicher Energieunterschied von durchschnittlich 3,3 Elektronenvolt zwischen beiden Elektronen vermessen. Die Ergebnisse dieser Messungen wurden in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht.

Der gemessene Energieunterschied der zwei-Elektronen-Pulse wird es in Zukunft erlauben einzelne Elektronenpaare weiter zu filtern, um somit die Statistik des Strahls zu beeinflussen, um beispielsweise die Schwankungen eines Elektronenstrahls zu verringern. Was sich zunächst nach reiner Grundlagenforschung anhört, kann jedoch sehr schnell Anwendung für viele Bereiche wichtig werden. Gerade bei empfindlichen biologischen Proben ist dies von großer Bedeutung, da dies dazu beitragen kann, um mögliche Schäden an der Probe zu verringern. Aber auch für die Weiterentwicklung von hochauflösender Elektronenmikroskopie sind diese Ergebnisse hochrelevant, da sich abschätzen lässt, ab welcher Stromdichte erste Verschlechterungen des Elektronenstrahls zu erwarten sind – einhergehend mit einer Verschlechterung der Auflösung des Mikroskops.

Publikation:

https://www.nature.com/articles/s41567-023-02059-7

Kontakt:

Prof. Dr. Peter Hommelhoff
peter.hommelhoff@fau.de