Ultraschnelles Mikroskop misst elektrische Felder

Mit extrem kurzen Laserpulsen lassen sich heute die Bewegungen von Atomen und Molekülen „filmen“. Die Arbeitsgruppe von Chemie-Nobelpreisträger Ahmed Zewail am California Institute of Technology in Pasadena erweiterte nun dieses Verfahren. Sie kombinierten dazu eine Spektroskopie-Methode zur Messung der Elektronenenergie mit einem hochauflösenden Rasterelektronenmikroskop. Damit ließ sich die Dynamik elektrischer Felder rund um ein metallisches Nanoteilchen direkt nach einer Laseranregung analysieren.

Zewail und seine Kollegen setzten dazu einen etwa zehn Nanometer kleinen Kristall aus Silber auf eine leitfähige Unterlage aus dem extrem dünnen Kohlenstoff-Material Graphen. Dann fokussierten sie einen sehr kurzen, grünen Laserpuls auf einen ausgewählten Punkt auf dem Nanoteilchen. Mit hoher Auflösung bestimmten sie unmittelbar nach dieser optischen Anregung die Energieverteilung des enstandenen elektrischen Feldes („electron energy gain/loss“, EEG/EEL).

Im Unterschied zu früheren Messungen dieser Art, analysierten Zewail und Kollegen das elektrische Feld nicht nur an einem Ort zu einem Zeitpunkt. Durch die Kombination mit einem Rasterelektronenmikroskop konnten sie ihre Probe alle 100 Femtosekunden abtasten. Aus diesen Daten ermittelten sie mit hoher Präzision die Dynamik des elektrischen Feldes, das sich durch das Wechselspiel der Photonenanregung mit Plasmonen und Elektronen des Nanopartikels aufbaute.

Diese ersten Versuche mit einem Silber-Nanoteilchen belegen, dass sich die zeitlich hochaufgelöste Messung von elektrischen Feldern über EEG/EEL-Spektren mit der hohen räumlichen Auflösung von Rasterelektronenmikroskopoen vereinen lässt. So liefert diese neue Analysemethode die bislang genauesten Einblicke in die rasanten, elektronischen Prozesse von Metallen nach einer optischen Anregung. Angewendet auf die Halbleiter von Solarzellen oder filigrane Sensoren aus nur wenigen Molekülen könnten diese Analysen zur Steigerung der Wirkungsgrade oder Nachweisempfindlichkeiten genutzt werden.

Jan Oliver Löfken

PH