In een elektronenmicroscoop, elektronen worden uitgezonden door puntige metalen uiteinden, zodat ze met hoge precisie kunnen worden bestuurd en gecontroleerd. Onlangs, dergelijke metalen punten zijn ook gebruikt als elektronenbronnen met hoge precisie voor het genereren van röntgenstralen. Een team van onderzoekers van de TU Wien (Wenen), samen met collega's van de FAU Erlangen-Nürnberg (Duitsland), hebben een methode ontwikkeld om elektronenemissies met hogere precisie dan ooit tevoren te regelen. Met behulp van twee laserpulsen, het is nu mogelijk om de stroom van elektronen op extreem korte tijdschalen aan en uit te zetten.

Het is slechts het puntje van de naald

"Het basisidee lijkt op een bliksemafleider, ", zegt Christoph Lemell (TU Wien). "Het elektrische veld rond een naald is altijd het sterkst aan de punt. Daarom slaat de bliksem altijd op de punt van een staaf, en om dezelfde reden elektronen verlaten een naald precies aan het uiteinde."

Extreem puntige naalden kunnen worden gefabriceerd met de methoden van moderne nanotechnologie. Hun tip is slechts enkele nanometers breed, dus het punt waarop de elektronen worden uitgezonden is met zeer hoge nauwkeurigheid bekend. Naast dat, het is ook belangrijk om te controleren op welk moment de elektronen worden uitgezonden.

Dit soort temporele controle is nu mogelijk geworden met een nieuwe benadering:"Twee verschillende laserpulsen worden afgevuurd op de metalen punt, " legt Florian Libisch (TU Wien) uit. De kleuren van deze twee lasers zijn zo gekozen dat de fotonen van de ene laser precies twee keer de energie hebben van de fotonen van de andere laser. het is belangrijk ervoor te zorgen dat beide lichtgolven perfect synchroon oscilleren.

Met behulp van computersimulaties, het team van TU Wien kon voorspellen dat een kleine vertraging tussen de twee laserpulsen kan dienen als een "schakelaar" voor elektronenemissie. Deze voorspelling is nu bevestigd door experimenten uitgevoerd door de onderzoeksgroep van professor Peter Hommelhoff aan de FAU Erlangen-Nürnberg. Op basis van deze experimenten, het is nu mogelijk om het proces in detail te begrijpen.

Fotonen absorberen

Wanneer een laserpuls wordt afgevuurd op de metalen punt, het elektrische veld kan elektronen uit het metaal trekken - dat is een bekend fenomeen. Het nieuwe idee is dat een combinatie van twee verschillende lasers kan worden gebruikt om de emissie van de elektronen op een femtoseconde tijdschaal te regelen.

Er zijn verschillende manieren waarop een elektron genoeg energie kan krijgen om de metalen punt te verlaten:het kan twee fotonen absorberen van de hoogenergetische laser of vier fotonen van de laagenergetische laser. Beide mechanismen leiden tot hetzelfde resultaat. "Net zoals een deeltje in een dubbelspletenexperiment, die tegelijkertijd op twee verschillende paden gaat, het elektron kan tegelijkertijd aan twee verschillende processen deelnemen, ", zegt professor Joachim Burgdörfer (TU Wien). "De natuur hoeft niet een van de twee mogelijkheden te kiezen - beide zijn even reëel en interfereren met elkaar."

Door de twee lasers zorgvuldig af te stemmen, het is mogelijk om te controleren of de twee kwantumfysische processen elkaar versterken, wat leidt tot een verhoogde emissie van elektronen, of dat ze elkaar annuleren, wat betekent dat er nauwelijks elektronen worden uitgezonden. Dit is een eenvoudige en effectieve manier om elektronenemissie te regelen.

Het is niet alleen een nieuwe methode om experimenten uit te voeren met elektronen met hoge energie, de nieuwe technologie moet de deur openen naar gecontroleerde generatie van röntgenstralen. "Er worden al innovatieve röntgenbronnen gebouwd met behulp van arrays van smalle metalen punten als elektronenbronnen, ", zegt Lemell. "Met onze nieuwe methode, deze nanotips kunnen precies op de juiste manier worden getriggerd, zodat coherente röntgenstraling wordt geproduceerd."