Elektronenquelle sprudelt im Takt von Attosekunden

Ob ein extrem kurzer Laserpuls aus einer Metallspitze schnelle Elektronen freisetzt, lässt sich auf hundert Attosekunden genau steuern

6. Juli 2011

Elektronik könnte künftig möglicherweise im Tempo einiger zehn Attosekunden arbeiten. Forscher des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching bei München steuerten Elektronen, die aus einer nanometerkleinen Metallspitze quollen, auf 80 Attosekunden genau. Eine Attosekunde dauert nicht länger als den milliardsten Bruchteil einer milliardstel Sekunde – Licht legt in dieser Zeit nur etwa die Strecke eines Atomdurchmessers zurück. In ihrer aktuellen Arbeit kontrollierten die Garchinger auf der Attosekundenskala erstmals Elektronen, die von einem Festkörper mit Hilfe von kurzen Laserpulsen emittiert werden. Bislang ist die Attosekundenphysik nur an gasförmig vorliegenden Atomen und Molekülen betrieben worden. Elektronen aus Metallen attosekundenschnell steuern zu können, ermöglicht es, elektronische Prozesse in Zukunft um Größenordnungen zu beschleunigen.

Eine Metallspitze als Elektronenquelle mit Attosekunden-Präzision: Die Garchinger Physiker strahlen rote Laser-Pulse auf eine Metallspitze und steuern dabei auf 80 Attosekunden genau, wann Berge und Täler der Lichtwelle auf die Spitze treffen. So steuern sie, ob der Puls schnelle Elektronen aus der Spitze löst oder nicht.

Physiker können Lichtwellen heute geradezu virtuos kontrollieren. Sie erzeugen nicht nur Lichtpulse, die nur wenige Femtosekunden dauern – also eine Zeitspanne, in der Licht etwa die Strecke eines Chromosom-Durchmessers zurücklegt. Sie können sogar den Femtosekundenpuls nach Wunsch formen. Eine Lichtwelle schwingt derart schnell, dass selbst während der kurzen Dauer eines Femtosekundenpulses mehrere Wellenberge und Wellentäler auftreten. Mit ausgefeilter Lasertechnik, die nicht zuletzt auf der Arbeit des Nobelpreisträgers Theodor W. Hänsch vom Garchinger Max-Planck-Institut beruht, stellen Laserphysiker exakt ein, an welchen Stellen innerhalb des Laserpulses die Wellenkämme und -täler der Lichtwelle liegen. Sie verschieben also die Phase der Lichtwelle innerhalb des Pulses nach Belieben, im Fachjargon: sie kontrollieren die Phasendifferenz zwischen Welle und Puls.

Das Team um den Physiker Peter Hommelhoff vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik hat mit Laserpulsen von sechs Femtosekunden Dauer auf eine Wolfram-Metallspitze, die nur einige Nanometer (millionstel Millimeter) fein ist, gefeuert. Dabei variierten die Forscher von Schuss zu Schuss die Phasendifferenz. Sie kontrollierten also, wann die Wellenberge und –täler eines Pulses auf die Nanospitze trafen, und zwar mit einer Präzision von etwa 80 Attosekunden.

Was sie beobachteten, überraschte die Physiker sehr. Die Phasendifferenz wirkte sich auf den Emissionsprozess von Elektronen mit bestimmten Energiewerten aus - dabei handelte es sich um sehr schnelle Elektronen. Die Anzahl der schnellen Elektronen nahm zu oder ab, wenn die Physiker das Eintreffen der Wellenberge und –täler des Pulses in Schritten von 160 Attosekunden verschoben.

„Wir können also den nur rund 450 Attosekunden dauernden Emissionsprozess der schnellen Elektronen mit Hilfe der Phasendifferenz kontrollieren“, resümiert Hommelhoff. Dies sei ein wichtiger Schritt in Richtung eines Feldeffekttransistors, mit dessen Hilfe sich Strom innerhalb von Attosekunden an- und abschalten ließe. Das entspräche einer Frequenz mehrerer hundert Terahertz, also rund 10000 Mal schneller als die Feldeffekttransistoren, die in heutigen Computerchips Daten verarbeiten.

Zur Redakteursansicht