Physiker haben ein neuartiges Elektronenmikroskop entwickelt, das elektromagnetische Felder sichtbar macht. Ultrakurze Elektronenpulse dienen dabei als „Messfühler“, die die Merkmale und selbst die rasend schnellen Veränderungen eines solchen Feldes abbilden. Dieses Mikroskop ist damit ein wichtiger Meilenstein hin zu effizienterer Elektronik und neuen photonischen Anwendungen, wie die Forscher im Fachmagazin „Science“ berichten.
Elektromagnetische Felder sind der Motor unserer Elektronik. Durch sie verschieben sich beispielsweise Elektronen in Transistoren und sorgen letztendlich für die Datenverarbeitung. Doch diese Felder verändern sich rasend schnell, sind unsichtbar und damit schwer zu fassen. Obwohl Pflanzen, Tiere und sogar der Mensch molekulare Sensoren für elektrische Felder besitzen und Messgeräte sie registrieren können, ließen sich ihre ultraschnellen Veränderungen jedoch nicht abbilden.
Elektronenpulse als Messfühler
Ein neuartiges Elektronenmikroskop zur Analyse elektromagnetischer Felder macht das zuvor unmögliche nun möglich. Das von Andrey Ryabov und Peter Baum an der Universität München und dem Max-Planck-Instituts für Quantenoptik entwickelte Gerät nutzt ultrakurze Elektronenpulse, um damit die Stärke und Richtung eines Feldes zu detektieren und abzubilden.
„Um solche elektromagnetischen Lichtfelder zu visualisieren, sind zwei Vorrausetzungen wichtig“, erklärt Baum. „Die Elektronenpulse müssen kürzer sein als ein Feldzyklus. Und zudem muss die Durchgangszeit durch die zu untersuchende Struktur kürzer sein als ein Zyklus.“ Um schneller zu sein als die Wechsel des elektromagnetischen Feldes fliegen die Elektronenpulse ungefähr mit halber Lichtgeschwindigkeit.
Feld einer Mikroantenne abgebildet
Grundlage des Elektronenmikroskops bilden ultrakurze Laserpulsen von wenigen Femtosekunden Dauer. Diese Laserpulse erzeugen wiederum Elektronenpulse, die aus einzelnen Elektronen bestehen und durch das Einwirken von Terahertz-Strahlung weiter verkürzt werden. Letztlich erlaubt diese Technik die Erzeugung von Elektronenpulsen, die kürzer als eine halbe Schwingung einer Lichtwelle sind.
Die ultrakurzen Elektronenpulse richteten die Forscher im Experiment auf eine Mikroantenne, die elektromagnetische Felder erzeugte. Beim Kontakt mit dem Feld werden die Elektronenpulse gestreut – wie stark und in welche Form ist dabei abhängig von der räumlichen Verteilung, der zeitlichen Variation, der Richtung und der Polarisation des Lichts, das die Mikroantenne aussendet. Die mittels Detektoren aufgezeichnete Ablenkung der Pulse verrät damit diese Eigenschaften des Feldes.
Anwendungen in Elektronik und Photonik
Wie die Forscher erklären, bildet ihre erweiterte Elektronenmikroskopie nun die Grundlage, um selbst kleinste und schnellste elektromagnetische Felder exakt zu detektieren und damit besser zu verstehen, wie etwa Transistoren oder optische Schalter arbeiten und was in ihnen passiert. Eine bessere Kenntnis der elektromagnetischen Feldverläufe und ihrer ultraschnellen Veränderungen könnte die Elektronik der Zukunft effizienter gestalten.
Interessant ist die neue Technologie aber auch für die Entwicklung und Analyse von Metamaterialien. Diese Nanostrukturen manipulieren elektrische und magnetische Felder auf ungewöhnliche Weise, indem sie Licht beispielsweise abbremsen, unendlich schnell machen oder sogar in den Rückwärtsgang zwingen. Damit könnten sie zu wichtigen Bausteinen für lichtgetriebene Schaltkreise und Rechner der Zukunft werden. (Science, 2016; doi: 10.1126/science.aaf8589)
(Max-Planck-Institut für Quantenoptik, 25.07.2016 – NPO)
