Filme aus dem Mikrokosmos

Zu beobachten, wie Atome und Elektronen in einem Material auf externe Reize reagieren, ver­schafft Wissen­schaftlern Ein­blick in Rätsel der Fest­körper­physik. Mit kurzen Elek­tronen­pulsen filmen die Forscher solche Bewegungen. Wenn ein Elektron an einem Kristall streut, inter­feriert es auf­grund seiner quanten­mecha­nischen Eigen­schaften mit sich selbst und erzeugt ein Beugungs­bild. Indem sie diese Bilder auf­zeichnen, bestimmen Forscher die atomare und elek­tronische Struktur des Materials und sehen Details, die kleiner sind als ein Atom.

Elektronenpulse sind jedoch schwierig zu erzeugen, da Elek­tronen Ladung besitzen und sich lang­samer als mit Licht­ge­schwin­dig­keit bewegen. Die Elek­tronen­diffrak­to­metrie ist daher noch weit von der Zeit­auf­lösung ent­fernt, die nötig ist, um Elek­tronen­bewe­gungen in einem Material zu sehen. Jetzt ist es einem Team um Peter Baum und Ferenc Krausz an der Uni München und dem MPI für Quanten­optik gelungen, eine neue Methode zur Kon­trolle ultra­kurzer Elek­tronen­pulse zu ent­wickeln. Während bis heute Mikro­wellen ver­wendet werden, um Elek­tronen­pulse zu beein­flussen, haben die Forscher nun erst­mals optisch erzeugte Tera­hertz-Strahlung einge­setzt. Mit der neuen Technik haben die Forscher Elek­tronen­pulse deut­lich ver­kürzt. Die Tera­hertz-Technik bietet die Chance, nicht nur Atome, sondern auch Elek­tronen in Bewegung sicht­bar zu machen.

Die Forscher richteten die Terahertz- und die Elek­tronen­pulse auf eine spezielle Antenne, an der beide mit­ein­ander inter­agierten. Sie orien­tierten das elek­trische Feld der Tera­hertz-Strahlung so, dass Elek­tronen, die früher ankommen, abge­bremst und solche, die später ankommen, beschleunigt werden. Unter diesen Voraus­setzungen wird der Elek­tronen­puls während seiner Aus­breitung kürzer und kürzer, bis er eine minimale Dauer an der Position der zu unter­suchenden Material­probe erreicht. Die Forscher bestimmten zudem mit ihrer neuen Methode, wie lang die Elek­tronen­pulse waren, als diese an der Proben­position an­kamen. Hier­zu inter­agierten die Elek­tronen­pulse ein zweites Mal mit der Tera­hertz-Strahlung, dies­mal aber so, dass die elek­tro­magne­tischen Tera­hertz-Felder eine seit­liche Ablen­kung der Elek­tronen bewirken, abhängig von deren genauem Inter­aktions­zeit­punkt. Auf diese Weise bauten die Physiker quasi eine Stopp­uhr für Elek­tronen­pulse.

Das neue Verfahren versetzt die Forscher in die Lage, die Elek­tronen­pulse viel weiter zu ver­kürzen und außer­dem viel genauer zu synchro­ni­sieren als bisher möglich, um immer schnellere atomare und letzt­endlich elek­tro­nische Bewegungen aufzu­zeichnen. Ziel ist es, die atto­sekunden­schnellen Bewegungen von Ladungs­wolken in und um Atome zu ver­folgen, um die Grund­lagen der Licht-Materie-Wechsel­wirkung besser zu verstehen. Die Erkennt­nisse könnten der Entwicklung neuer photo­nischer und elek­tro­nischer Materialien und Geräte dienen, die die Techno­logien von Morgen antreiben.

LMU / RK