Universität Wien: Formung und Strukturierung von Elektronenstrahlen mit Laserlicht

Die Herausforderung

Dr. Thomas Juffmann ist außerordentlicher Professor an der Universität Wien (Österreich). Seine Forschungsgruppe konzentriert sich auf die Entwicklung neuer Bildgebungsverfahren in der Licht- und Elektronenmikroskopie, die „die aus jedem erfassten Sondenpartikel gewonnenen Informationen maximieren“. Diese Forschung umfasst theoretische Studien, Multipass-Mikroskopie, adaptive Optik und optische Nahfeld-Elektronenmikroskopie. 

Dr. Juffmann erklärt, dass optische Verfahren sowohl in der Mikroskopie als auch in der Astronomie in den letzten Jahren enorm von der Möglichkeit profitiert haben, Photonen mithilfe aktiver Komponenten wie räumlicher Lichtmodulatoren und adaptiver Optik zu manipulieren. Die Elektronenmikroskopie ist in der Lage, einzigartig hochauflösende Daten über vielfältige Proben zu liefern, hat jedoch bislang nicht in gleichem Maße von einer derart ausgeklügelten Steuerung der Elektronen profitiert … noch nicht. Eine gerade veröffentlichte Forschungsstudie [1] von Juffmanns Gruppe und Mitarbeitern an der Universität Siegen hat jedoch gezeigt, wie dies nun möglich ist – mit potenziell enormen Auswirkungen auf die gepulste Elektronenmikroskopie und Messtechnik in zahlreichen wissenschaftlichen Disziplinen. Zu den von Juffmann angeführten potenziellen Beispielen gehören die Kontrastverstärkung in der Phasenmikroskopie oder die Ptychographie mit Anwendungen beispielsweise bei der Beobachtung von Phasenübergängen in Feststoffen.

Die Lösung

Juffmann und seine Mitarbeiter beschlossen, sich zu diesem Zweck auf den Ponderomotive-Effekt zu konzentrieren, einen schwachen Streueffekt, der bereits 1933 von Kapitza und Dirac vorhergesagt worden war [2]. Der Effekt wurde schließlich 1988 von Bucksbaum et al. dank des Einsatzes eines gepulsten Lasers erstmals beobachtet [3] und später von Freimund et al. in einem eindrucksvollen Experiment, das die Beugung Elektronenimpulses an einer stehenden Lichtwelle zeigte [4]. Juffmanns Team machte sich daran, diesen grundlegenden Mechanismus zu nutzen, um Elektronenstrahlen auf eine noch nie dagewesene Weise zu manipulieren.

Wie funktioniert das? Die Pondermotivkraft bezieht sich auf die Bewegung von Elektronen in einem oszillierenden elektromagnetischen Feld, wie beispielsweise einem Lichtstrahl, dessen Intensität nicht gleichmäßig ist. Diese Kraft bewirkt, dass sich Elektronen aus Bereichen mit hoher Intensität in Bereiche mit geringerer Intensität bewegen.  Juffmann wusste, dass dies eine Möglichkeit bieten könnte, Elektronen mit Licht zu manipulieren. Allerdings handelt es sich hierbei um einen schwachen Effekt, der eine sehr hohe Lichtintensität erfordert. Daher machte sich seine Gruppe daran, die erforderlichen intensiven Feldmuster mithilfe eines Femtosekundenlasers und eines räumlichen Lichtmodulators zu erzeugen.

The lab was equipped with a Monaco 1035 ultrafast laser which turned out to be an ideal light source for these experiments. Juffmann explains, “The combination of short (<300 fs) pulse width and high (40 µJ) pulse energy provides plenty of peak power for our current experiments, as well as future setups with more pixels in the electron patterns. And the 1 MHz pulse repetition rate translates into short data acquisition times.” He also cites the reliability of the laser as an advantage with no down-time in nearly 4 years of operation in his lab.

Das Ergebnis

In der Juffmann-Anordnung Strahlteiler ein Strahlteiler einige Prozent der Laserintensität ab. Diese wird auf eine Metallspitze fokussiert, um einen Elektronenstoß zu erzeugen, der anschließend als kollimierter Strahl beschleunigt wird. Der Rest des Laserstrahl durch ein räumliches Lichtmodul strukturiert, bevor er in einer gegenläufigen Anordnung mit dem Elektronenstrahl in Wechselwirkung tritt. Die Abbildung veranschaulicht die Fähigkeit dieses Ansatzes, beliebige Elektronenstrahlformen mit nahezu beliebiger Geometrie und Detailgenauigkeit zu erzeugen: Sie zeigt ein Bild eines Leuchtstoffschirms, der von dem Elektronenstrahl bestrahlt wird, der so manipuliert wurde, dass verschiedene Muster entstehen, darunter ein „Smiley“. 

Juffmann merkt an, dass diese neue Methode im Vergleich zu anderen Techniken der Elektronenmanipulation programmierbar ist und Verluste, unelastische Streuung sowie potenzielle Instabilitäten aufgrund der Materialalterung von Beugung vermeidet. Infolgedessen könnten Teile Ihres Elektronenmikroskops in Zukunft optische Anpassungsmöglichkeiten beinhalten. Marius Mihaila, Doktorand im Juffmann-Labor, fasst zusammen: „Unsere Formgebungstechnik ermöglicht eine erfolgreiche Aberrationskorrektur und adaptive Bildgebung in gepulsten Elektronenmikroskopen. Sie könnte dazu genutzt werden, Ihr Mikroskop an die von Ihnen untersuchten Proben anzupassen, um die Empfindlichkeit zu maximieren.“

Literaturverzeichnis

1. MCC Mihaila et al., Transversale Elektronenstrahlformung mit Licht, Phys. Rev. X 12, 031043 (2022). https://doi.org/10.1103/PhysRevX.12.031043
2. P. L. Kapitza und P. A. M. Dirac, Die Reflexion von Elektronen an stehenden Lichtwellen. Proc. Camb. Phil. Soc. 29, 297–300 (1933).
3. P.H. Bucksbaum et al., Der Kapitza-Dirac-Effekt bei hoher Intensität. Phys. Rev. Lett. 61, 1182–1185 (1988).
4. Freimund et al., Beobachtung des Kapitza-Dirac-Effekts, Nature, 413, 142–143 (2001). 

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