Elektronen sind ständig in Bewegung. Wie sie sich im Kristallgitter verhalten, entscheidet über zentrale Materialeigenschaften: elektrische Leitfähigkeit, Magnetismus oder neuartige Quanteneffekte. Wer die Informationstechnologien von morgen entwickeln will, muss verstehen, was Elektronen tun. In Jülich steht dafür nun ein neues Werkzeug bereit: ein Impulsmikroskop, vollständig vor Ort entwickelt und gebaut. „International sehen wir derzeit ein rasant wachsendes Interesse an diesem Verfahren“, erklärt Christian Tusche vom Forschungszentrum.
Dr. Tusche hat die Entwicklung der Impulsmikroskopie bereits während seiner Zeit am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle entscheidend mitgeprägt und seit seinem Wechsel nach Jülich im Jahr 2015 weiter vorangetrieben. Die Entwicklungen wurden unter anderem 2018 mit dem „Kai Siegbahn Prize“ und 2016 mit dem „Innovation Award on Synchrotron Radiation“ ausgezeichnet.
Weltweit gingen in den vergangenen Jahren zahlreiche solche Geräte an Synchrotronzentren und Röntgenlasern in Betrieb. Erst kürzlich erschien ein Übersichtsartikel zu der Methode in Applied Physics Letters. „Das Gerät, das wir gemeinsam mit der Mechanischen Werkstatt realisiert haben, ist eine echte Neuerung. So etwas gibt es derzeit bei keiner Fachfirma zu kaufen“, sagt Tusche.
Bisher benötigte man für Impulsmikroskope meist Großforschungsanlagen. Als Strahlungsquelle dienen dann Elektronenbeschleuniger oder Röntgenlaser. Das Jülicher System kommt dagegen mit einem leistungsstarken UV-Laser im Tischformat aus.
Möglich macht das eine neu entwickelte Elektronenoptik. Diese arbeitet deutlich effizienter ist als bisherige Designs und liefert noch schärfere Abbildungen der Elektronenzustände.
Die Impulsmikroskopie basiert auf dem photoelektrischen Effekt: Trifft Licht auf ein Material, werden Elektronen freigesetzt, die ihren Impuls und oft auch ihre Spinrichtung behalten. Daraus lässt sich rekonstruieren, in welchem Quantenzustand sie sich zuvor befanden. Auf dieser Grundlage entwickelten sich Photoemissionsspektroskopie und -mikroskopie zu etablierten Verfahren der Festkörperphysik.
„Diese Methoden sind jedoch begrenzt, wenn es darum geht, Spin und Impuls über größere Energiebereiche hinweg zu erfassen“, erläutert Tusche. Die Impulsmikroskopie vereint beide Ansätze in einem Gerät. „Schon mit einer einzigen oder wenigen Messungen erhält man das komplette Bild.“
Ein Impulsmikroskop zeigt nicht nur, wo sich Elektronen befinden, sondern auch, wie sie sich bewegen. Die Messungen liefern eine Art Landkarte der Elektronenbewegung – mit Informationen zu Impuls, Spin, Orbitalen sowie räumlichen und zeitlichen Veränderungen in einem einzigen Experiment.
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Ein anschaulicher Vergleich: Während ein klassisches Mikroskop zeigt, wo Menschen auf einem Marktplatz stehen, zeigt ein Impulsmikroskop, wohin sie unterwegs sind, wie schnell sie gehen – und bei Elektronen zusätzlich ihre Spinrichtung.
Ein zentrales Ergebnis ist die Fermi-Fläche. Sie beschreibt die Impulsverteilung der Elektronen und ist entscheidend für die wesentlichen physikalischen Eigenschaften eines Materials. Forschende nutzen sie wie einen Fingerabdruck: Die Fermi-Fläche verrät, ob es sich um ein Metall oder einen Halbleiter handelt, oder ein Quantenmaterial mit exotischen Effekten wie Supraleitung oder komplexem Magnetismus.
Die Impulsmikroskopie hat in der kurzen Zeit ihres Bestehens bereits zahlreiche Durchbrüche ermöglicht. Dem Tusche-Team gelang unter anderem die Herstellung eines zweidimensionalen Halbmetalls, das nur Elektronen einer bestimmten Spinrichtung leitet – ein vielversprechender Ansatz für die Spintronik. Zudem beobachteten die Forschenden einen neuen Effekt zur Kontrolle des Bahndrehimpulses von Elektronen, der Perspektiven für eine künftige Orbitronik eröffnet.
Das neue Jülicher Mikroskop eignet sich für eine Vielzahl moderner Materialien, darunter Metalle, Ferromagnete, Oxide, organische Dünnschichten und topologische Quantenmaterialien. Seine Elektronenlinsen sind über veränderliche elektrische Spannungen virtuell verschiebbar. Das erlaubt es Forscherinnen und Forschern, gezielt in die Impulsbilder hineinzuzoomen.
Die Verwendung eines Lasers zur Anregung der Elektronen in der Probe ermöglicht zudem zeitaufgelöste Experimente, mit denen ultraschnelle Prozesse untersucht werden – etwa während eines Schaltvorgangs von elektronischen Bauelementen. Und die Erwartungen reichen noch weiter: „Vor allem hoffen wir, auf unbekannte Effekte zu stoßen, die man bisher noch gar nicht sehen konnte“, freut sich Tusche.
Noch befindet sich das Jülicher Impulsmikroskop im Testbetrieb. Zur Kalibrierung dient ein Goldkristall als Referenz. Doch schon bald sollen weitere Materialien folgen – und damit ein neues Fenster in die Quantenwelt. [FZ Jülich / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
Y.-J. Chen, C. Wiemann, W.-S. Chiu, et al., Momentum microscopy and its applications, Appl. Phys. Lett. 128, 010503, 9. Januar 2026; DOI: 10.1063/5.0304110 - Momentum Microscopy group (Christian Tusche), Elektronische Eigenschaften (PGI-6), Peter Grünberg Institut (PGI), Forschungszentrum Jülich
