Forschern ist es erstmals gelungen, Holografie nicht mit Licht, sondern mit Elektronen zu betreiben. Durch Beschuss eines Xenonatoms mit einem Freie-Elektronen-Laser und Detektion der aus dem Atom herausgeschlagenen Elektronen, erzeugten sie ein charakteristisches Interferenzmuster, das den dreidimensionalen Zustand eines Xenonatoms wiedergab. Wie sie in „Science“ berichten, eröffnet diese Holografie im atomaren Maßstab neue Möglichkeiten für die zeitaufgelöste Beobachtung von Molekülen.
Der Ungar Dennis Gábor entdeckte bereits 1947 in theoretischen Arbeiten das Prinzip der Holografie, als er versuchte, die Auflösung von Elektronenmikroskopen zu verbessern. Umgesetzt wurde die Technologie später aber nicht mit Elektronen sondern mit Laserlicht. Das Licht wird dabei in zwei Strahlen geteilt, die Referenzwelle und die Objektwelle. Die Referenzwelle fällt direkt auf einen zweidimensionalen Detektor, zum Beispiel eine Fotoplatte. Die Objektwelle beleuchtet ein Objekt und wird an diesem gestreut, dann fällt auch sie auf den Detektor. Dabei überlagern sich die beiden Lichtwellen und es entsteht ein Interferenzmuster, das über die dreidimensionale Form des Objektes Auskunft gibt.
Ionisierung erzeugt kohärente Elektronen
Physiker vom Max-Born-Institut (MBI) in Berlin sind jetzt quasi wieder zu den Anfängen zurückgekehrt, indem sie Holografie nicht mit Licht, sondern mit Elektronen betreiben. Was Gábor nicht konnte, nämlich eine Quelle für kohärente Elektronenstahlen konstruieren, ist bei Physikern, die mit starken Laserfeldern experimentieren, schon fast Standard. Sie schießen mit ultrastarken, ultrakurzen Laserpulsen Elektronen aus Atomen und Molekülen heraus, dies nennt man Ionisierung. Solche Elektronen sind kohärent und bildeten deshalb die Basis für das neue Holografie-Experiment mit Xenonatomen.
„Durch das starke Laserfeld werden die Elektronen vom Atom weggerissen“, erklärt Marc Vrakking vom MBI. „Weil das Laserfeld schwingt, schnipsen einige von ihnen wie von einem Gummiband gehalten wieder zurück. Sie bewegen sich also in Richtung Atom und damit haben wir eine perfekte Elektronenquelle.“
Die herausgeschossenen Elektronen haben nun verschiedene Möglichkeiten: Manche vereinigen sich wieder mit dem Atom und erzeugen dabei extrem ultra-violettes (XUV) Licht, das die Basis für die heutige Attosekundenphysik ist. Die meisten Elektronen fliegen aber am Atom vorbei und bilden in den Holografie- Experimenten die Referenzwelle. Die Elektronen, welche vom Atom gestreut werden, bilden die Objektwelle.
Interferenzmuster verrät dreidimensionalen Zustand des Objekts
Die Wissenschaftler fingen die Elektronen mit einem Detektor auf und konnten ein charakteristisches Interferenzmuster beobachten, das den dreidimensionalen Zustand des Xenonatoms wiedergibt. Dabei dem waren im Experiment bestimmte Bedingungen nötig: Um ein klares holografisches Bild zu erhalten, durfte die Referenzwelle nicht von dem positiv geladenen Objekt, also dem Xenonion, beeinflusst werden. Die Elektronenquelle sollte sich deshalb möglichst weit entfernt vom Objekt
befinden.
Aus diesem Grund führten die Forscher die Experimente mit dem Freie-Elektronenlaser FELICE (Free Electron Laser for IntracavityExperiments) durch, der langwelliges Licht im Bereich von vier bis 40 Mikrometer aussendet. Solche Wellen „entführen“ die Elektronen besonders weit vom Atom
weg, bevor sie sie wieder zurückbringen. Die Elektronen werden bei der Ionisation mit minimalen Verzögerungen produziert, diese liegen unter einer Femtosekunde. Die Forscher konnten so über theoretische Berechnungen zeigen, dass sie zeitaufgelöste holografische Bilder erhalten hatten.
Holografie im atomaren Maßstab
Ein exaktes dreidimensionales Bild des Xenonatoms können sich die Wissenschaftler aus den Interferenzmustern zwar noch nicht konstruieren, aber Vrakking hält so etwas in Zukunft durchaus für möglich. „Wir haben erstmalig gezeigt, dass Holografie auf atomaren Größenskalen und zeitaufgelöst mit dieser Methode möglich ist“, sagt er. Dies eröffne neue Möglichkeiten für die zeitaufgelöste Beobachtung von Molekülen. (Science 2010, DOI:10.1126/science.1198450)
(Forschungsverbund Berlin, 17.12.2010 – NPO)
