Elektronenoptik aus Licht

Eine neue Technik, die Elektronen­mikro­skopie und Laser­techno­logie kombiniert, ermöglicht die program­mier­bare Modu­la­tion von Elektronen­strahlen. Sie kann zur Optimierung der Elektronen­optik und für die adaptive Elektronen­mikro­skopie einge­setzt werden, um die Empfind­lich­keit zu maximieren und gleich­zeitig die durch den Strahl verur­sachten Schäden zu mini­mieren. Diese grund­legende und bahn­brechende Techno­logie wurde nun von Forschern der Unis Wien und Siegen demon­striert.

Wenn Licht turbulentes oder dichtes Material, wie die Erdatmo­sphäre oder ein milli­meter­dickes Gewebe, durch­dringt, kommt es bei herkömm­lichen Bildgebungs­verfahren zu erheb­lichen Ein­schrän­kungen der Abbildungs­qualität. Wissen­schaftler platzieren daher verform­bare Spiegel im optischen Pfad des Teleskops oder Mikroskops, die die unerwün­schten Effekte aus­gleichen. Diese adaptive Optik hat zu zahl­reichen Durch­brüchen in der Astronomie und bei der Abbildung von tiefen Gewebs­schichten geführt.

Dieses Maß an Kontrolle wurde in der Elektronen­optik jedoch bislang nicht erreicht, obwohl viele Anwendungen in der Material­wissen­schaft und Struktur­biologie dies erfordern. In der Elektronen­optik verwenden Wissen­schaftler Elektronen­strahlen anstelle von Licht, um Strukturen mit atomarer Auflösung abzubilden. Normaler­weise werden statische elektro­magnetische Felder verwendet, um die Elektronen­strahlen zu lenken und zu fokus­sieren.

In ihrer Studie haben die Forscher jetzt gezeigt, dass sie Elektronen­strahlen mit Hilfe hoch­intensiver, geformter Licht­felder, welche Elektronen abstoßen, nahezu beliebig ablenken können. Das Experiment macht sich die Möglich­keit zunutze, Licht zu formen. Ein Laserpuls wird durch einen räumlichen Licht­modulator geformt und wechsel­wirkt in einem modi­fi­zierten Raster­elektronen­mikroskop mit einem entgegen­gerich­teten synchro­ni­sierten Elektronen­strahl. Auf diese Weise können der Elektronen­welle auf Knopfdruck beliebige trans­versale Phasen­schub­muster aufgeprägt werden, was eine noch nie dagewesene Kontrolle über Elektronen­strahlen ermöglicht.

Das Potenzial dieser innovativen Technologie wird durch die Erzeugung konvexer und konkaver Elektronen­linsen und durch die Erzeugung komplexer Elektronen­intensitäts­ver­teilungen demonstriert. „Wir schreiben mit dem Laserstrahl in der trans­versalen Phase der Elektronen­welle“, erläutert Marius Constantin Chirita Mihaila von der Uni Wien. „Unsere Experimente ebnen den Weg für die Wellen­front­formung in gepulsten Elektronen­mikro­skopen mit Tausenden von program­mier­baren Pixeln. In Zukunft könnten Teile des Elektronen­mikroskops aus Licht bestehen.“

Im Gegensatz zu anderen konkur­rie­renden Techno­logien zur Elektronen­modulation ist das Verfahren program­mierbar und vermeidet Verluste, inelastische Streuung und Instabi­li­täten, welche in materi­ellen Beugungs­elementen auftreten können. „Unsere Technik ermöglicht die Aberrations­korrektur von gepulsten Elektronen­mikroskopen, sowie adaptive Abbildungs­verfahren“, ergänzt Thomas Juffmann von der Uni Wien. „Bei Letzteren wird das Mikroskop an die Probe angepasst, um die Empfind­lich­keit zu maxi­mieren.“

U. Wien / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. C. Chirita Mihaila et al.: Transverse Electron-Beam Shaping with Light, Phys. Rev. X 12, 031043 (2022); DOI: 10.1103/PhysRevX.12.031043
• Quantum Microscopy and Biophysics (T. Juffmann), Max Perutz Labs, Universität Wien, Österreich