29.12.2023

Untersuchung von schnellen Elektronenbewegungen mit kurzen Lichtpulsen

Spezielle Variante der Elektronenmikroskopie mit den Möglichkeiten der Attosekundenphysik kombiniert.

Die schnellen Bewegungen von Elektronen gleichzeitig mit hoher räumlicher Genauigkeit und einer zeitlichen Auflösung im Bereich von Attosekunden zu untersuchen – das ist einem deutsch-schwedischen Team jetzt gelungen. Die Forscher kombinierten eine spezielle Variante der Elektronenmikroskopie, die Photoemissions-Elektronenmikroskopie PEEM, mit den Möglichkeiten der Attosekundenphysik. Sie verwendeten extrem kurze Lichtblitze, um die Bewegung von Elektronen genau zu kontrollieren und ihr Verhalten zu erfassen. Mit dem Verfahren könnte sich in Zukunft das Verhalten von Elektronen in Nanomaterialien oder in neuartigen Solarzellen besser verstehen lassen.

Abb.: Schematische Darstellung der Versuchsanordnung.
Abb.: Schematische Darstellung der Versuchsanordnung: Attosekundenpulse (violett) lösen Elektronen (grün) aus einer Kristalloberfläche. Das Photoemissions-Elektronenmikroskop (kegelförmiges Instrument oben) untersucht die schnellen Bewegungen der Elektronen.
Quelle: J. Vogelsang, U. Oldenburg

Wenn ein Elektron sich in einem Molekül oder einem Halbleiter bewegt, geschieht dies in extrem kurzen Zeiträumen. Auf dem Weg solche Vorgänge besser zu verstehen, hat das Team um den Jan Vogelsang von der Uni Oldenburg jetzt einen entscheidenden Fortschritt erzielt. Die Forscher verfolgten die Bewegung von Elektronen, die durch einen Laserimpuls aus Kristallen der Verbindung Zinkoxid herausgelöst wurden, gleichzeitig mit einer räumlichen Auflösung im Nanometer-Bereich und bislang unerreichter zeitlicher Auflösung. Das Team demonstriert damit die Anwendbarkeit eines Verfahrens, mit dessen Hilfe sich beispielsweise das Verhalten von Elektronen in Nanomaterialien oder neuartigen Solarzellen besser verstehen lassen könnte.

Wie das Team berichtet, hatten ähnliche Experimente zuvor nicht die nötige zeitliche Genauigkeit erreicht, um die Bewegung von Elektronen verfolgen zu können. Die kleinen Elementarteilchen sausen deutlich schneller umher als die größeren und schwereren Atomkerne. In der aktuellen Studie sei es jedoch gelungen, die beiden technologisch anspruchsvollen Verfahren der Photoemissions-Elektronenmikroskopie und der Attosekunden-Mikroskopie zu kombinieren, ohne dass die räumliche oder zeitliche Auflösung darunter litt. „Wir haben nun endlich den Punkt erreicht, an dem wir Attosekundenpulse praktisch nutzen können, um die Wechselwirkung von Licht und Materie auf der atomaren Ebene und in Nanostrukturen detailliert zu untersuchen“, so Vogelsang.

Einer der Punkte, die diesen Fortschritt ermöglichten, bestand darin, eine Lichtquelle zu verwenden, die besonders viele Attosekundenblitze pro Sekunde erzeugt – in diesem Fall 200.000 Lichtpulse pro Sekunde. Jeder Blitz löste dabei genau ein Elektron aus der Oberfläche des Kristalls, so dass die Forscher deren Verhalten ungestört untersuchen konnten. „Je mehr Pulse pro Sekunde man erreicht, desto einfacher ist es, ein kleines Messsignal aus einem Datensatz zu extrahieren“, erläutert der Physiker.

Die dafür nötige Technologie steht im Labor von Anne L’Huillier an der Universität Lund in Schweden zur Verfügung, wo auch die Untersuchungen für die aktuelle Studie stattfanden. Vogelsang baut das Verfahren derzeit auch an der Uni Oldenburg auf. In Zukunft wollen beide Teams die Untersuchungen fortführen und das Verhalten von Elektronen in verschiedenen Materialien und Nanostrukturen erkunden.

U. Oldenburg / RK

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