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.

Ein Ping-Pong-Effekt beschleunigt das Elektron

Der extrem kurze rote Laserpuls – hier als roter Ball dargestellt – setzt Elektronen (blaue Wellen) aus der Wolframspitze frei, wenn die Lichtwelle mit der passenden Phasendifferenz auf die Spitze trifft. Quantenphysikalisch handelt es sich bei Elektronen um Materiewellen, die sich ähnlich wie Wasserwellen überlagern können. Aus dieser Überlagerung schließen die Forscher, welche ultraschnellen Prozesse stattfinden, wenn Elektronen aus dem Metall befreit werden.

Hommelhoff sieht aber auch unmittelbarere Anwendungsmöglichkeiten des Experimentes. Da die feine Metallspitze das elektrische Feld des Lichtes enorm verstärkt, muss der Laserpuls nicht besonders intensiv sein. „Es reicht ein einfacher Laseroszillator aus“, sagt Hommelhoff. Daher sei der Aufbau relativ einfach. Er stelle daher eine günstige Alternative dar, um in Laserlabors die Phasendifferenz zwischen Puls und Welle zu messen, was heute mit Interferometern geschieht, die bis zu 25 000 Euro verschlingen.

Was die Garchinger beinahe noch mehr überraschte als ihr Forschungsergebnis selbst, ist, dass sie es mit einem relativ einfachen theoretischen Modell erklären können. Demnach zieht das elektrische Feld des Laserpulses dann ein Elektron aus der Wolframspitze heraus, wenn es maximal ist und seine Polung in die Spitze hinein weist. Das freigesetzte Elektron wird vom elektrischen Feld von der Spitze weggezogen und dabei beschleunigt. Nach einigen hundert Attosekunden kehrt sich das elektrische Feld der Lichtwelle in die entgegengesetzte Richtung, ebenso wie eine Wasserwelle erst ansteigt und dann wieder abfällt. Das umgekehrte Feld schleudert das Elektron zur Spitze zurück. Das Elementarteilchen prallt elastisch von der Spitze ab wie ein Tischtennisball vom Schläger. Inzwischen hat sich das elektrische Feld des Lichtes erneut umgepolt und beschleunigt das Elektron weiter in die Richtung von der Spitze weg. Dabei sammelt es so viel Energie, dass es aus der Umgebung der Nadel entkommt.

Bei bestimmten Phasendifferenzen werden innerhalb des Femtosekundenpulses nacheinander zwei Elektronen von der Spitze freigesetzt und machen beide das Hin- und Herschleudern mit. Quantenphysikalisch betrachtet, handelt es sich bei den beiden Elektronen um Materiewellen. Diese können sich überlagern und gegenseitig verstärken wie herkömmliche Wellen. Dadurch erhöht sich am Detektor der gemessene elektrische Strom. Dies funktioniert in verblüffender Weise auch mit einem einzelnen Elektron, dessen Materiewelle zu zwei Zeitpunkten emittiert wird. Dabei zerfällt das Wellenpaket des Elektrons quasi in zwei Teile. Diese zerfließen langsam und überlagern sich, während sie von der Spitze wegfliegen. „Mit dem Modell konnten wir die experimentellen Ergebnisse qualitativ sehr gut beschreiben“, sagt Hommelhoff.

Der nächste Schritt zum attosekundenschnellen Transistor ist geplant

Der Mechanismus ist von ähnlichen Experimenten mit Gasen aus Atomen und Molekülen her bekannt. „Wir haben ihn erstmals an einem Festkörper beobachtet“, sagt Hommelhoff. Beim Garchinger Experiment seien zwei besondere Hürden zu überwinden gewesen, sagt der Physiker. Zum einen die Messung der Energie der freigesetzten Elektronen. Zum anderen das Sauberhalten der Wolframspitze während der Messungen. „Schon der Aufbau einer einzigen Schicht von Fremdatomen auf der Spitze hätte die Ergebnisse entscheidend verfälscht“, sagt Hommelhoff. Die Spitze müsse daher in einem empfindlichen Ultrahochvakuum gehalten werden.

Nach dem aktuellen Durchbruch bleiben einige Fragen offen, die das Garchinger Team in weiteren Arbeiten klären möchte. „Wir wissen nicht, durch exakt welchen Mechanismus die Elektronen von der Spitze freigesetzt werden“, sagt Hommelhoff. Das könne ein so genannter Multiphotoneneffekt sein, bei dem die Energie mehrerer Lichtteilchen aus dem Laserpuls auf ein Elektron übertragen wird, sodass es dem Metall entkommen kann. Es könne aber auch sein, dass das elektrische Feld des Lichtes das elektrische Potenzial des Metalls so beeinflusse, dass die Elektronen durch den so genannten quantenmechanischen Tunneleffekt freikommen.

Um dem attosekundenschnellen Transistor einen weiteren Schritt näherzukommen will Hommelhoff mit seinem Team ein Experiment aufbauen, bei dem die Elektronen, durch Laserlicht gesteuert, von einer Metallspitze zu einer anderen übertragen würden. Dies wäre ein elektrischer Schalter, der durch die Phase einer Lichtwelle gesteuert würde.

 

CM/PH

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