Holografie mit Elektronen

Mit Laserpulsen ionisierte Xenonatome liefern Elektronen für ihre holografischen Bilder selbst.

Der Ungar Dennis Gábor entdeckte 1947 in theoretischen Arbeiten das Prinzip der Holografie, als er versuchte, die Auflösung von Elektronenmikroskopen zu verbessern. Durchgesetzt hat sich die Holografie erstmals in den 60er Jahren mit der Erfindung des Lasers. Physiker vom Max-Born-Institut (MBI) in Berlin sind jetzt quasi wieder zu den Anfängen zurück gekehrt, indem sie Holografie mit Elektronen betreiben. In Zusammenarbeit mit Forschern aus den Niederlanden entwickelten sie eine Methode, bei welcher die Elektronen, welche das Objekt aufzeichnen, zuvor mit einem Laser aus diesem heraus geschossen werden und somit vom Objekt selbst stammen.

Für die optische Holografie benötigt man kohärentes Licht. Das Licht wird in zwei Strahlen geteilt, die Referenzwelle und die Objektwelle. Die Referenzwelle fällt direkt auf einen zweidimensionalen Detektor. Die Objektwelle beleuchtet ein Objekt und wird an diesem gestreut, dann fällt auch sie auf den Detektor. Dabei überlagern sich die beiden Lichtwellen und es entsteht ein Interferenzmuster, das über die dreidimensionale Form des Objektes Auskunft gibt.

Was Gábor nicht konnte, nämlich eine Quelle für kohärente Elektronenstahlen konstruieren, ist bei Physikern, die mit starken Laserfeldern experimentieren, schon fast Standard. Sie schießen mit ultrastarken, ultrakurzen Laserpulsen Elektronen aus Atomen und Molekülen heraus. Solche Elektronen sind kohärent und bildeten deshalb die Basis für das neue Holografie-Experiment mit Xenonatomen. Zur Ionisation der Xenonatome verwendeten die Forscher einen Freie-Elektronenlaser mit einer Wellenlänge von 7 µm und einer Intensität von 7x10¹¹ W/cm². Marc Vrakking vom MBI erklärt: „Durch das starke Laserfeld werden die Elektronen vom Atom weggerissen. Weil das Laserfeld schwingt, schnipsen einige von ihnen wie von einem Gummiband gehalten wieder zurück.“

Manche der Elektronen vereinigen sich wieder mit dem Atom und erzeugen dabei extrem ultra-violettes Licht, das die Basis für die heutige Attosekundenphysik ist. Die meisten Elektronen fliegen aber am Atom vorbei und bilden in den Holografie-Experimenten die Referenzwelle. Die Elektronen, welche vom Atom gestreut werden, bilden die Objektwelle. Die Wissenschaftler fingen die Elektronen mit einem Detektor auf und konnten ein charakteristisches Interferenzmuster beobachten, das den dreidimensionalen Zustand des Xenonatoms wiedergibt.

Die Elektronen werden bei der Ionisation mit minimalen Verzögerungen produziert, diese liegen unter einer Femtosekunde. Die Forscher konnten so über theoretische Berechnungen zeigen, dass sie zeitaufgelöste holografische Bilder erhalten hatten. Ein exaktes dreidimensionales Bild des Xenonatoms konnten sie aus den Interferenzmustern allerdings noch nicht konstruieren.

MBI / MH