Universität Wien: Formung und Strukturierung von Elektronenstrahlen mittels Laser

Herausforderung

Dr. Thomas Juffmann ist außerordentlicher Professor an der Universität Wien (Österreich). Seine Forschungsgruppe konzentriert sich auf die Entwicklung neuer Bildgebungsverfahren im Bereich der Licht- und Elektronenmikroskopie, um „die aus jedem erfassten Teilchen gewonnene Information optimal zu nutzen“. Die Forschung umfasst theoretische Arbeiten, Multikanal-Mikroskopie, adaptive Optik und optische Nahfeld-Elektronenmikroskopie. 

Dr. Juffmann erklärt, dass die Entwicklung der Optiktechnologie bei Mikroskopen und Teleskopen in den letzten Jahren erheblich von der Manipulation von Photonen mithilfe aktiver Komponenten wie räumlichen Lichtmodulatoren und adaptiven optischen Systemen profitiert hat. Elektronenmikroskope liefern einzigartige hochauflösende Daten über verschiedene Proben, doch bei dieser Art von Mikroskopen kommt noch keine elektronische Steuerungstechnik auf dem gleichen Niveau zum Einsatz.Eine gerade veröffentlichte Studie [1] von Juffmanns Team und Kooperationspartnern an der Universität Siegen zeigt jedoch, dass diese Anwendung nun realisierbar ist und geeignete Methoden gefunden wurden, was enorme potenzielle Auswirkungen auf pulsgesteuerte Elektronenmikroskopie und metrologische Verfahren in zahlreichen wissenschaftlichen Disziplinen hat. Als potenzielle Beispiele nennt Juffmann die Kontrastverstärkung in der Phasenkontrastmikroskopie oder der Stapelbildgebung sowie Anwendungen wie die Beobachtung von Phasenübergängen in Festkörpern.

Lösung

Juffmann und seine Kollegen beschlossen, sich vor allem auf die Nutzung des Mass-Energie-Effekts zu konzentrieren, um dieses Ziel zu erreichen. Dabei handelt es sich um einen schwachen Streueffekt, der 1933 von Kapitza und Dirac [2] erstmals vorhergesagt wurde. Bucksbaum und seine Kollegen nutzten gepulste Laser [3] und konnten diesen Effekt schließlich 1988 erstmals beobachten. Später demonstrierten Freimund und seine Kollegen in einem nahezu perfekten Experiment die Beugung von stationären Lichtwellen durch Elektronenpulse [4]. Juffmanns Team machte sich daran, diesen grundlegenden Mechanismus zu nutzen, um Elektronenstrahlen auf bisher nie dagewesene Weise zu manipulieren.

Wie funktioniert diese Methode? Die sogenannte „Magnetokinetik“ bezeichnet die Bewegung von Elektronen in einem oszillierenden elektromagnetischen Feld, beispielsweise in einem Lichtstrahl mit ungleichmäßiger Intensität. Diese Kraft bewirkt, dass sich die Elektronen aus Bereichen mit hoher Intensität in Bereiche mit niedriger Intensität bewegen. Juffmann erkannte, dass dies eine Möglichkeit bot, Elektronen mit Licht zu manipulieren. Allerdings handelt es sich dabei um einen schwachen Effekt, der extrem hohe Lichtintensitäten erfordert. Daher begann sein Team, mithilfe von Femtosekundenlasern und räumlichen Lichtmodulatoren die erforderlichen starken Feldmuster zu erzeugen.

这个实验室配备了一台 Monaco 1035 超快激光器，结果证明这是此类实验的理想光源。Juffmann 解释说：“短脉冲宽度 （<300 fs） 和高脉冲能量 （40 μJ） 相结合，为我们当前的实验以及电子模式中像素更多的未来设置提供了充足的峰值功率。而 1 MHz 脉冲重复频率可缩短数据采集时间。” 他还指出，激光器的可靠性是一个优势，在实验室近 4 年的工作中没有停机时间。

Ergebnisse

In Juffmanns Versuchsaufbau lenkt ein Strahlteiler einen kleinen Prozentsatz der Laserintensität ab. Diese Energie wird auf eine Metallspitze fokussiert, um Elektronen zu erzeugen, die anschließend zu einem kollimierten Strahl beschleunigt werden. Der verbleibende Teil des Laserstrahls wird von einem räumlichen Lichtmodul gemustert und interagiert dann mit dem Elektronenstrahl in einer gegenläufigen Anordnung.Die Abbildung veranschaulicht die Fähigkeit dieses Verfahrens, nahezu beliebige Elektronenstrahlformen mit beliebigen Geometrien und Details zu erzeugen: Sie zeigt ein Bild auf einem Phosphorschirm, der vom Elektronenstrahl bestrahlt wird und so manipuliert wurde, dass er verschiedene Muster erzeugt, darunter ein „Smiley“. 

Juffmann weist darauf hin, dass diese neue Methode im Vergleich zu anderen Techniken der Elektronenmanipulation programmierbar ist und Verluste, inelastische Streuung sowie potenzielle Instabilitäten vermeidet, die durch die Alterung der materiellen Beugungselemente entstehen. Daher könnten bestimmte Komponenten Ihres Elektronenmikroskops in Zukunft über optische Einstellfunktionen verfügen. Marius Mihaila, Doktorand im Labor von Juffmann, fasst zusammen:„Unsere Formgebungstechnik ermöglicht erfolgreich die Aberrationskorrektur und adaptive Bildgebung in Puls-Elektronenmikroskopen. Sie kann genutzt werden, um das Mikroskop an die untersuchte Probe anzupassen und so 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, 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 hohen Intensitäten. 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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