Quantenphysik

Forschungsbericht 2012 - Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Höchstpräzise Steuerung freier Elektronen mit Lasern und Mikrowellen

Autoren

Hommelhoff, Peter

Abteilungen

Max-Planck-Forschungsgruppe Ultraschnelle Quantenoptik (Peter Hommelhoff)

Zusammenfassung
Zentrales Thema der seit 2008 am MPI für Quantenoptik etablierten Forschungsgruppe Ultraschnelle Quantenoptik ist die Kontrolle und Steuerung freier Elektronen mit neuartigen Methoden. So ist es Mitarbeitern erstmals gelungen, die Emission von Elektronen aus Festkörper-Nanospitzen durch einen ultrakurzen Laserpuls zu steuern. Dies ist ein erster Schritt in Richtung eines Attosekunden-Feldeffekt-Transistors. Weiterhin wurde eine Art "Paulfalle" für freie Elektronen entwickelt, in der die Elektronen mit Mikrowellenfeldern entlang Elektroden geführt werden, die auf Mikrochips strukturiert sind.

Steuerung von Elektronen auf Attosekundenzeitskalen an nanometrischen Spitzen

Für zahlreiche Anwendungen ist es äußerst wichtig, freie Elektronen mit höchster Genauigkeit zu steuern. So basiert etwa das Rasterelektronenmikroskop – das Aufnahmen von Festkörperoberflächen mit atomarer Auflösung ermöglicht – auf der präzisen Führung von Elektronenstrahlen mit elektrostatischen und magnetischen Linsen. Teilchenphysiker arbeiten mit Mikrowellen-Resonatoren und starken Ablenkmagneten, wenn sie, wie z. B. am CERN, Elektronen und andere Teilchen mit höchsten Energien kollidieren lassen, um Aufschlüsse über die fundamentalen Kräfte der Natur zu gewinnen.

Aber auch auf viel kürzeren Längen- und Zeitskalen ist die Kontrolle von Elektronen von höchster Bedeutung. So werden seit einigen Jahrzehnten hochintensive Laserpulse genutzt, um Elektronen aus Atomen und Molekülen freizusetzen, nur um sie innerhalb einer einzelnen Periode des optischen Feldes wieder auf das Mutterteilchen zurück zu schleudern. Möglich ist dies, weil Elektronen extrem leicht sind und so fast ohne jegliche Verzögerung dem Laserfeld folgen können – obwohl dieses mit der ungeheuren Frequenz von ca. 300 THz (1 THz = 1012 Hz) oszilliert, d. h., ca. 300 Millionen Mal eine Million Schwingungen pro Sekunde vollbringt. Wenn die Energie, die das Elektron im Laserfeld aufgenommen hat, in Form eines einzelnen hochenergetischen Photons wieder abgestrahlt wird, lassen sich mit diesem Verfahren Strahlen aus perfekt synchronisierten ultrakurzen Lichtblitzen im Attosekundenbereich (eine Attosekunde ist ein Milliardstel von einer Milliardstel Sekunde) erzeugen.

Die Max-Planck-Forschungsgruppe Ultraschnelle Quantenoptik hat erstmals gezeigt, dass auch die Emission von Elektronen aus Festkörperoberflächen durch ein hochfrequentes Laserfeld gesteuert werden kann [1]. Aus der Streuung des zurückkehrenden Elektrons an der Oberfläche lassen sich überdies Rückschlüsse auf deren Beschaffenheit ziehen.


<b>Abb. 1:</b> Zwei von Laserpulsen, aus einer scharfen Wolframspitze freigesetzte Elektronen kollidieren bei ihrer Rückstreuung an der Spitze. Genau wie zwei sich überlagernde Wasserwellen interferieren auch die beiden Materiewellen der einlaufenden Elektronen. Bild vergrößern
Abb. 1: Zwei von Laserpulsen, aus einer scharfen Wolframspitze freigesetzte Elektronen kollidieren bei ihrer Rückstreuung an der Spitze. Genau wie zwei sich überlagernde Wasserwellen interferieren auch die beiden Materiewellen der einlaufenden Elektronen. [weniger]

Kernstück des Experiments ist eine Wolframspitze, die mit kurzen Laserpulsen von nur einigen Femtosekunden Dauer bestrahlt wird, was einem Millionstel eines Milliardstels einer Sekunde entspricht (Abb. 1). Ist der Laserpuls intensiv genug, können die Elektronen in der Spitze so viel Energie aus dem Lichtfeld aufnehmen, dass sie aus dem Metall austreten und auf einem Detektor vor der Spitze nachgewiesen werden können. Da die Spitze mit einem Krümmungsradius von zehn Nanometern extrem scharf ist, verstärkt sich hier die Intensität des Laserlichts um ein Vielfaches (dieses Prinzip der Feldüberhöhung wird auch bei Blitzableitern genutzt), so dass vergleichsweise schwache Laserpulse ausreichen, um Elektronen aus dem Metall zu lösen. Die für die Elektronenemission verwendeten Femtosekunden-Lichtpulse enthalten so wenige Schwingungen des Laserfeldes, dass die elektrische Feldstärke, die während eines Pulses auf die Spitze einwirkt, stark von der Phasenverschiebung der Trägerwelle relativ zum Pulsmaximum abhängt.

Nun werden die Anzahl und die kinetische Energie der freigesetzten Elektronen in Abhängigkeit von dieser Phasendifferenz gemessen. In Abbildung 2 sind zwei Spektren dargestellt, deren Phasenverschiebung sich um 180 Grad unterscheidet. Wie leicht zu sehen ist, hat die Phasenverschiebung tatsächlich einen starken Einfluss auf die Struktur des Elektronenspektrums: Zum einen steuert sie, wie viele Elektronen bei einer bestimmten Energie registriert werden. Je höher dabei die Energie der Elektronen ist, desto eher können die Wissenschaftler durch Änderung der Phasenverschiebung um 180 Grad den Strom komplett ein- oder ausschalten [2].


<b>Abb. 2:</b> Energiespektren von Elektronen für verschiedene Phasendifferenzen (180° und 0°). Im Fall von 180° sind klar ausgeprägte, gleichmäßig voneinander entfernte Maxima zu beobachten, während für 0° kein solches Interferenzmuster auftritt. In den Kästchen findet sich die physikalische Erklärung: Links:  Hier werden in zwei Zeitintervallen Elektronen mit hoher Energie ausgesandt (rote Ellipsen), was zu dem quantenmechanischen Interferenzmuster im Spektrum führt. Rechts: Die Emission erfolgt dagegen nur in einem Zeitintervall, sodass keine Interferenz auftreten kann. Dafür werden hier die höchsten Elektronenergien erreicht und die Zahl der Elektronen bei hoher Energie ist größer (siehe gestrichelter Kreis). Der flache Verlauf des Spektrums zwischen 5 eV und 10 eV (gut sichtbar für 0°) weist auf elastische Rückstreuung hin. Die blaue Linie gibt das elektrische Feld des Lasers wieder. Bild vergrößern
Abb. 2: Energiespektren von Elektronen für verschiedene Phasendifferenzen (180° und 0°). Im Fall von 180° sind klar ausgeprägte, gleichmäßig voneinander entfernte Maxima zu beobachten, während für 0° kein solches Interferenzmuster auftritt. In den Kästchen findet sich die physikalische Erklärung: Links:  Hier werden in zwei Zeitintervallen Elektronen mit hoher Energie ausgesandt (rote Ellipsen), was zu dem quantenmechanischen Interferenzmuster im Spektrum führt. Rechts: Die Emission erfolgt dagegen nur in einem Zeitintervall, sodass keine Interferenz auftreten kann. Dafür werden hier die höchsten Elektronenergien erreicht und die Zahl der Elektronen bei hoher Energie ist größer (siehe gestrichelter Kreis). Der flache Verlauf des Spektrums zwischen 5 eV und 10 eV (gut sichtbar für 0°) weist auf elastische Rückstreuung hin. Die blaue Linie gibt das elektrische Feld des Lasers wieder. [weniger]

Die Phasenverschiebung bestimmt auch, ob ausgeprägte Spitzen in den Spektren beobachtet werden oder nicht. So können bei einer Phasenverschiebung von 180 Grad (Abb. 2, links) zu zwei verschiedenen Zeitpunkten während eines Pulses Elektronen mit hoher Energie ausgesandt werden. Die Interferenz der beiden Materiewellenpakete am Detektor führt dann zu der beobachteten Interferenzstruktur im Spektrum. Gibt es die Möglichkeit der Elektronenemission nur einmal, dann ist keine Interferenz möglich und die Maxima verschwinden (Abb. 2, rechtes). Auf diese Weise kann die Dynamik der Elektronen mit Attosekundengenauigkeit erschlossen werden, was mit konventioneller Elektronik unmöglich ist. Durch die Kombination von schwachen ultrakurzen Laserpulsen und Nanometer-scharfen Metallspitzen können elektrische Ströme auf der Attosekundenzeitskala geschaltet werden. Dies ist ein erster Schritt in Richtung eines Attosekunden-Feldeffekt-Transistors und somit der Beginn der Lichtwellen-Elektronik, in der Ströme direkt mit dem Laserfeld gesteuert und geschaltet werden können.

Kontrolle über Elektronen mithilfe von neuartigen Mikrowellen-Chips

Da Elektronen eine Schlüsselfunktion in der Datenübertragung und viele anderen technischen Anwendungen haben, ist es von hohem Interesse, sie speichern und führen zu können. Generell bieten sich für die Steuerung elektrisch geladener Teilchen elektrische und magnetische Felder an. Die Natur erlaubt es aber nicht, im freien Raum ein konstantes elektrisches Feld so zu gestalten, dass ein Elektron dauerhaft darin gespeichert werden kann. Man kann sich aber eines Tricks bedienen, der dem Balancieren einer Murmel auf einem glatten Karton ähnelt: Damit die Murmel nicht herunterfällt, kippt man den Karton immer entgegen ihrer Rollrichtung. Auf analoge Weise lässt sich ein Elektron einfangen, wenn die Richtung des elektrischen Feldes entsprechend umgepolt wird. Dabei muss man noch nicht einmal wissen, in welche Richtung sich das Elektron gerade bewegt; es reicht, wenn das elektrische Feld mit einer gewissen Frequenz und Amplitude moduliert wird. (Dies geht auch mit einer Murmel! Probieren Sie es mal – am einfachsten zunächst in einer leeren Küchenpapierrolle.) Auf Ionen (d. h. elektrisch geladene Atome) wird dieses Prinzip seit mehr als vierzig Jahren mit so großem Erfolg angewandt, dass ihr Erfinder Wolfgang Paul dafür 1989 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde.


<b>Abb. 3: </b>Leiterelektroden mit Elektronenquelle im Hintergrund; in den Spalten zwischen den Elektroden ist das weiße Trägersubstrat zu sehen. Die Elektronen werden durch ein winziges Loch im Zentrum der Quelle emittiert, welches einen Durchmesser von 20 µm hat und auf dem Bild nicht zu erkennen ist. Sie werden anschließend in einer Höhe von einem halben Millimeter über den Elektroden geführt und entlang der gebogenen Elektrodenstruktur im Vordergrund nach links abgelenkt. Bild vergrößern
Abb. 3: Leiterelektroden mit Elektronenquelle im Hintergrund; in den Spalten zwischen den Elektroden ist das weiße Trägersubstrat zu sehen. Die Elektronen werden durch ein winziges Loch im Zentrum der Quelle emittiert, welches einen Durchmesser von 20 µm hat und auf dem Bild nicht zu erkennen ist. Sie werden anschließend in einer Höhe von einem halben Millimeter über den Elektroden geführt und entlang der gebogenen Elektrodenstruktur im Vordergrund nach links abgelenkt. [weniger]

Die Physiker am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) haben jetzt erstmals auch die extrem leichten Elektronen mithilfe einer auf diesem Prinzip basierenden "Paul-Falle" fangen bzw. führen können [3]. In ihrem Experiment werden die Elektronen in einer thermischen Elektronenquelle erzeugt, bei der ein Wolframdraht wie in einer Glühbirne geheizt wird. Die austretenden Elektronen werden zu einem parallelen Strahl mit einer Energie von einigen Elektronenvolt gebündelt und von dort in den "Wellenleiter" eingekoppelt. Das ist eine Struktur aus fünf, auf einem flachen Substrat gefertigten und parallel verlaufenden Elektroden, an denen eine Wechselspannung mit einer Frequenz von etwa einem Gigahertz (eine Milliarde Hertz) anliegt (Abb. 3). In einer Entfernung von einem halben Millimeter über den Elektroden entsteht dadurch ein oszillierendes Quadrupolfeld, das Elektronen im Zentrum des Feldes in radialer Richtung, also quer zu den Elektroden, einschließt. In longitudinaler Richtung, parallel zu den Elektroden, wirkt dagegen keine Kraft auf die Teilchen, so dass sich diese frei entlang des "Leiters" bewegen können. Insgesamt werden die Elektronen dadurch gezwungen, dem Verlauf der Elektroden auf dem Substrat zu folgen. Der Einschluss in radialer Richtung ist dabei außerordentlich stark, so dass die Elektronen selbst kleinräumigen Richtungsänderungen folgen.

Um den Effekt der Elektronenführung besser demonstrieren zu können, haben die Elektroden die Form eines 37 Millimeter langen Ausschnitts aus einem Kreisbogen mit einem Radius von 40 Millimetern. Am Ende der Struktur befindet sich ein Detektor zum Nachweis der austretenden Elektronen. Wie in Abbildung 4 zu sehen ist, erscheint bei eingeschaltetem Wechselfeld auf dem Detektor deutlich ein hell leuchtender Fleck in der linken Bildhälfte, genau dort, wo sich der Ausgang des Leiters befindet. Wird das Feld abgeschaltet, dann laufen die Elektronen von der Quelle aus geradlinig weiter und in der rechten Bildhälfte ist ein aufgrund der Divergenz des Elektronenstrahls diffus erhelltes Gebiet sichtbar.


<b>Abb. 4: </b>Darstellung des experimentellen Aufbaus und der Signale von geführten und nicht geführten Elektronen. (a) Ansicht des Aufbaus von oben. In der oberen linken Bildecke ist das letzte Element der Elektronenquelle zu erkennen. Geführte Elektronen folgen der orangefarbenen Linie von der Quelle zum Detektor, während die ungeführten Elektronen geradlinig über das Substrat fliegen (angedeutet durch blaue Linien). (b) Die geführten Elektronen liefern als Detektorsignal einen hellen runden Fleck am Ausgang des Elektronenleiters (mit einem Kreis markiert). (c) Bei abgeschalteter Mikrowellenanregung landen die Elektronen auf der rechten Detektorseite, wo ein schwächeres und aufgrund der Divergenz des Strahls etwas diffuseres Signal erscheint. Bild vergrößern
Abb. 4: Darstellung des experimentellen Aufbaus und der Signale von geführten und nicht geführten Elektronen. (a) Ansicht des Aufbaus von oben. In der oberen linken Bildecke ist das letzte Element der Elektronenquelle zu erkennen. Geführte Elektronen folgen der orangefarbenen Linie von der Quelle zum Detektor, während die ungeführten Elektronen geradlinig über das Substrat fliegen (angedeutet durch blaue Linien). (b) Die geführten Elektronen liefern als Detektorsignal einen hellen runden Fleck am Ausgang des Elektronenleiters (mit einem Kreis markiert). (c) Bei abgeschalteter Mikrowellenanregung landen die Elektronen auf der rechten Detektorseite, wo ein schwächeres und aufgrund der Divergenz des Strahls etwas diffuseres Signal erscheint. [weniger]

Der Forschungsgruppe ist mit diesem Grundlagenexperiment der Nachweis gelungen, dass Elektronen mit rein elektrischen Feldern geführt werden können [3]. Allerdings liefert die derzeit verwendete Elektronenquelle nur einen schlecht gebündelten Strahl, weshalb Elektronen verloren gehen. In Zukunft wollen die Wissenschaftler deshalb den neuartigen Wellenleiter mit einer Elektronenquelle kombinieren, die auf der Feldemission von atomar scharfen Metallspitzen beruht. Hier gelingt es bereits, den Elektronenstrahl so scharf zu bündeln, dass seine Komponente quer zur Bewegungsrichtung nur durch die Heisenbergsche Unschärferelation begrenzt ist.

Damit ließen sich unter Umständen gezielt einzelne quantenmechanische Schwingungszustände der Elektronen im radialen Potential des Leiters bevölkern. Der hier demonstrierte starke Einschluss der Elektronen bedeutet auch, dass ein "Quantensprung" von einem Schwingungszustand in den nächst höheren eine große Energieänderung erfordern würde und damit relativ unwahrscheinlich wäre. Ein einmal präparierter Quantenzustand bliebe dadurch lange stabil erhalten und kann gut für Experimente genutzt werden. Unter diesen Bedingungen ließen sich Quantenexperimente durchführen, beispielsweise Elektroneninterferometrie mit geführten Elektronen: hier wird die Wellenfunktion eines Elektrons erst gespalten und dann wieder zusammengeführt, so dass charakteristische Überlagerungen aus mehreren Quantenzuständen eines Elektrons erzeugt werden. Aber es sind auch praktische Anwendungen denkbar, etwa die nichtinvasive Elektronenmikroskopie. Dabei wird die Probe nicht direkt von Elektronen getroffen. Aufschluss über ihre Beschaffenheit gibt vielmehr die Wirkung, die sie auf die Quanteneigenschaften der Elektronen hat.

1.
Schenk, M.; Krüger, M.; Hommelhoff, P.
Strong-Field Above-Threshold Photoemission from Sharp Metal Tips
2.
Krüger, M.; Schenk, P.; Hommelhoff, P.
Attosecond control of electrons emitted from a nanoscale metal tip
3.
Hoffrogge, J.; Fröhlich, R.; Kasevich, M.; Hommelhoff, P.
Microwave Guiding of Electrons on a Chip
 
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