Ultrakurze Pulse im Elektronenmikroskop

 

Fotografiert man eine Person, die sich zu schnell bewegt, erscheint sie auf dem Foto unscharf. Da helfen nur eine kürzere Belichtungszeit oder ein Blitz. Dieser verkürzt das Zeitintervall, in dem viel Licht auf den Kamerachip fällt, so stark, dass die Person in der Bewegung eingefroren erscheint. Nach dem gleichen Prinzip funktionieren ultraschnelle Elektronenmikroskope: Hier übernehmen sehr kurze Elektronenpulse die Rolle des Blitzes beim Fotografieren. Forschern der Universität Göttingen ist es nun gelungen, Elektronenblitze zu formen und zu messen, die kürzer als ein einzelner Lichtzyklus sind. Ihre Ergebnisse präsentieren sie in der Fachzeitschrift Nature Photonics.

Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Claus Ropers am IV. Physikalischen Institut hat den Elektronenstrahl durch Wechselwirkung mit intensiven Lichtfeldern zeitlich so strukturiert, dass er aus einer periodischen Abfolge von ultrakurzen Pulsen besteht. Die Elektronenblitze sind nur jeweils wenige hundert Attosekunden lang – eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde. Die Dauer dieser Elektronenblitze bestimmt die Zeitauflösung, das heißt je kürzer die Pulse, desto schneller die Prozesse, die beobachtet werden können.

Das Forscherteam hat in seinen Experimenten ein Elektron mithilfe von Laserlicht in einen quantenmechanischen Überlagerungszustand aus verschiedenen Geschwindigkeiten gebracht. Im weiteren Flug des Elektrons durch das Elektronenmikroskop bildet sich dadurch ein zeitlicher Kamm mit kurzen „Zacken“ aus – wie bei einem Wettlauf, in dem die langsamsten Läufer zuerst und die schnellsten zuletzt starten, sodass alle gleichzeitig im Ziel eintreffen.

 

GÖTTINGEN, 26. Januar 2018

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Bild: Georg-August-Universität Göttingen, Nature Photonics 11