Elektronen-Ping-Pong in der Nanowelt

Einem internationalen Forscherteam ist es erstmals gelungen Elektronen an Nanokügelchen mit kurzen, intensiven Laserpulsen zu beschleunigen und ihr Verhalten dabei detailliert zu beobachten. Dieser jetzt in „Nature Physics“ veröffentlichte Nachweis der kollektiven Beschleunigung von Elektronen mit Hilfe der Nanoteilchen bietet großes Potential unter anderem für lichtkontrollierte Mikroelektronik.

Wenn starkes Laserlicht auf Elektronen in Nanoteilchen trifft, die aus einem Verbund von vielen Millionen Atomen bestehen, können Elektronen freigesetzt und stark beschleunigt werden. Der Vorgang der Elektronenbeschleunigung erinnert an einen kurzen Ballwechsel beim Tischtennis. Aufschlag, Rückgabe und noch ein schneller Schlag, der zum Punktgewinn führt. So ähnlich geht es auch zu, wenn Elektronen in Nanopartikeln mit Lichtpulsen in Berührung kommen. Einem internationalen Team ist nun die Beobachtung der Mechanismen und ihrer Auswirkungen eines solchen Ping- Pong-Spiels der Elektronen in Nanoteilchen unter der Einwirkung starker Laserlicht-Felder gelungen.

Laserpulse auf Nanokugeln aus Quarzglas

Die Forscher ließen hochintensive Lichtpulse, die rund fünf Femtosekunden dauerten, auf 100 Nanometer große Teilchen aus Siliziumdioxid treffen. Jedes Nanoteilchen bestand aus rund 50 Millionen Atomen. Die Laserpulse umfassten jeweils nur wenige Wellenzügen und setzten die Elektronen der Nano-Partikel innerhalb von Bruchteilen einer Femtosekunde frei und beschleunigten sie im Laserfeld. Die Elektronen bewegten sich dabei um weniger als einen Nanometer von der Oberfläche der Nanokugeln weg, wurden zurück zur Oberfläche beschleunigt und prallten dort elastisch ab wie der Tischtennisball von dem Tischtennisschläger.

Die Energie der Elektronen kann dabei sehr hohe Werte annehmen und entsprach im Experiment etwa dem 60ig-fachen der Energie eines Laserphotons im roten Spektralbereich des Lichts. Die beschleunigten Elektronen verließen die Atome in unterschiedlichen Richtungen und mit unterschiedlichen Energien. Diese Flugbahnen zeichneten die Wissenschaftler in einem dreidimensionalen Bild auf, mit dem sie die Energien und die Emissionsrichtungen der Elektronen bestimmten.

Verstärkte Nahfelder an einer Glas Nanokugel. Die Nahfelder auf der Polachse des Teilchens sind zeitabhängig dargestellt, wobei die Zeit, wie in der dargestellten Welle, von rechts unten nach links oben verläuft. Entlang der Polarisationsachse des Lasers (entlang der Wellenkämme und Täler) zeigen die Felder eine deutliche Asymmetrie in ihrer Amplitude. Diese Asymmetrie führt zu einem höheren Energiegewinn der Elektronen auf einer Seite des Nanoteilchens im Vergleich zur anderen. Im dargestellten Fall entstehen die schnellsten Elektronen durch die maximale Feldüberhöhung auf der Rückseite des Teilchens. Die Energie der Elektronen und ihre Emissionsrichtungen werden im Experiment bestimmt. © Christian Hackenberger/LMU

Direkter elastischer Rückstoß erstmals dokumentiert

Die Wissenschaftler konnten damit erstmals das Phänomen dieses direkten elastischen Rückstoßes in einem kollektiven Nanoverbund beobachten und detailliert aufzeichnen. „Die Elektronen werden nicht nur durch das laserinduzierte Nahfeld beschleunigt, welches selbst schon deutlich stärker als das Laserfeld ist, sondern auch durch Wechselwirkungen mit anderen Elektronen, die aus dem Nanoteilchen ausgelöst werden“, beschreibt Matthias Kling vom Max-Planck- Institut für Quantenoptik das Experiment. Da sich alle Beiträge addieren, kann die Energie der Elektronen sehr hoch sein. „Der Vorgang ist komplex, zeigt aber, dass es in der Wechselwirkung von Nanoteilchen mit starken Laserfeldern noch sehr viel zu entdecken gibt.“

Anwendungen in biomedizinischer Forschung und Elektronik

Bei den Elektronenbewegungen können auch Pulse von extremem, ultraviolettem Licht entstehen, immer genau dann, wenn die Elektronen wieder auf die Oberfläche treffen, aber statt abzuprallen, absorbiert werden und dabei Licht abgeben. Extremes ultraviolettes Licht ist vor allem für die biologische und medizinische Forschung interessant. „Nach unseren Erkenntnissen können über die Rekombination der Elektronen an den Nanoteilchen Energien der abgegebenen Photonen erreicht werden, die bis zu siebenfach über dem Limit liegen, das bisher für einzelne Atome beobachtet wurde.“, erklärt Thomas Fennel von der Universität Rostock.

Der Nachweis der kollektiven Beschleunigung der Elektronen mit Hilfe der Nanoteilchen bietet großes Potential. „Hieraus ergeben sich vielversprechende, neue Anwendungsmöglichkeiten in einer zukünftigen, lichtkontrollierten ultraschnellen Elektronik, die um bis zu eine Million mal schneller arbeiten könnte, als konventionelle Elektronik“, ist Kling überzeugt. (Nature Physics, 2011; doi: 10.1038/NPHYS1983)

(Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP), 27.04.2011 – NPO)