Lichtwellenelektronik an Metallspitzen
Elektronenemission aus Metallspitzen lässt sich durch die Phasenlage von Femtosekundenlasern steuern.
Elektronenemission aus Metallspitzen lässt sich durch die Phasenlage von Femtosekundenlasern steuern.
Die Steuerung von Elektronen durch intensive phasenstabile Lichtpulse von nur einigen Femtosekunden Dauer erlaubt es, physikalische Prozesse auf der Attosekundenskala aufzulösen. Die selbständige Forschungsgruppe Ultraschnelle Quantenoptik von Peter Hommelhoff am MPQ in Garching untersuchte diese Methode an scharfen Metallspitzen. Die beobachtete Modulation des resultierenden Energiespektrums ermöglicht Rückschlüsse auf die Phasenlage von Trägerwelle zum Maximum des Laserpulses.
Abb.: Bei einer Phasenverschiebung von 180° werden zu an Zeitpunkten Elektronenpakete (rote Ellipsen) emittiert. Deren Interferenz zeigt sich im beobachteten Spektrum. Bei nur einem Elektronenpaket (0° Phasenversatz) fehlen die Maxima im Spektrum. (Bild: MPQ)
Im Experiment wird eine Wolframspitze mit Laserpulsen von einigen Femtosekunden Dauer bestrahlt. Ist der Laserpuls intensiv genug, können Elektronen in der Spitze aus dem Metall austreten. Durch die Feldüberhöhung an stark gekrümmten Oberflächen – wie sie bei Blitzableitern genutzt wird – reichen vergleichsweise schwache Laserpulse aus. Die Energie der ausgetretenen Elektronen wird dann von einem Detektor bestimmt. Die Femtosekundenpulse enthalten so wenige Schwingungen des Lichtfeldes, dass die elektrische Feldstärke stark von der Phasenlage abhängt.
Ein prinzipieller Unterschied zwischen 0° und 180° Phasenversatz ist zum Beispiel, dass durch die Spitzen der Feldstärke eine oder zwei Pakete von Elektronen erzeugt werden. Die Interferenz der beiden Materiewellenpakete am Detektor führt zu einer Interferenzstruktur im Spektrum. Außerdem schließen die Wissenschaftler aus der Form der Spektren, dass das Laserfeld auch nach der Emission der Elektronen noch einen starken Einfluss auf ihre Bewegung hat. Ausgelöste Elektronen werden vom Laserfeld in Richtung Spitze zurückgetrieben und an deren Oberfläche gestreut werden, bevor sie weiter in Richtung Detektor fliegen. „Das Experiment zeigt, dass die Rückstreuung der Elektronen an der Metallspitze ihre Fähigkeit zu interferieren nicht zerstört, d.h. kohärent erfolgt“, erklärt Markus Schenk von der Max-Planck-Gruppe.
Abgesehen von der Verwendung als Werkzeug in der Grundlagenforschung hat das Verfahren auch ein hohes Anwendungspotential. Mit der Kombination aus einer Metallspitze, einem Energiefilter und einem Elektronen-Vervielfacher lassen sich z.B. kompakte Geräte für die Phasenmessung und -stabilisierung von Laserpulsen realisieren. Ebenfalls denkbar ist die Entwicklung von optischen Feldeffekt-Transistoren, bei denen ein elektrischer Strom durch das Lichtfeld mit Attosekundenpräzision ein- und ausgeschaltet werden kann.
MPQ / KK
