Natuurkundigen van de Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) hebben nieuw terrein betreden met betrekking tot het pulseren van elektronenstralen. Hun methode zou binnenkort kunnen worden gebruikt om elektronenmicroscopen te ontwikkelen die geschikt zijn voor ultrakorte tijdschalen zoals die nodig zijn voor het observeren van de beweging van atomen.

Elektronenmicroscopen hebben een hele nieuwe wereld geopend voor onderzoekers:ultramoderne scan- en transmissieapparaten kunnen nu zelfs individuele atomen in beeld brengen. Ondanks het bereiken van deze enorm hoge resolutie, werken met een constante elektronenbundel heeft zijn nadelen. Ultrasnelle reacties, zoals het verbreken van chemische bindingen of de trillingen van atomen, kan met deze methode niet worden afgebeeld. Vanwege dit probleem, Er zijn de afgelopen jaren microscopen ontwikkeld die gebruikmaken van gepulste elektronenbundels. "Dit is te vergelijken met een stroboscoop die de beweging van het testobject vastlegt met behulp van een snelle opeenvolging van flitsen, " legt professor Peter Hommelhoff uit, Leerstoel Laser Physics bij FAU. "Dit principe is nu toegepast op elektronenpulsen."

Lasergestuurde elektronen

De bijzondere uitdaging hier is om pulsen te genereren die zo kort mogelijk zijn - aangezien elektronen 'pakketten' met kortere lengtes de tijdschaal verkorten waarop atomaire bewegingen kunnen worden afgebeeld. Door een laser te gebruiken om een ​​stroom elektronen te manipuleren, ze zijn erin geslaagd elektronenpakketten te produceren met een lengte van 1,3 femtoseconden - een femtoseconde is gelijk aan een miljoenste van een miljardste van een seconde. Om dit te behalen, de natuurkundigen moesten een bundel elektronen over het oppervlak van een siliciumrooster richten, waar ze het optische veld van laserpulsen in twee secties erop legden. Dr. Martin Kozak, een lid van het team van Hommelhoff en hoofdauteur van de studie, legt uit:"We gebruiken de laser om de frequentie van het periodieke veld te regelen en te synchroniseren met de snelheid van de elektronen. Hierdoor kunnen de elektronen energie winnen of verliezen, en we kunnen ultrakorte pakketten genereren uit een continue straal."

Pulsen in het attoseconde bereik mogelijk

Naast deze gecontroleerde acceleratie en vertraging, de FAU-natuurkundigen zijn erin geslaagd de elektronen zijdelings af te buigen van een hoekig siliciumrooster met behulp van laserpulsen. De elektronen worden in de ene of de andere richting afgebogen, afhankelijk van wanneer ze precies interageren met het laserveld. Deze detectiemethode wordt ook gebruikt in streak-camera's, die al resoluties in het femtoseconde bereik hebben bereikt. De in Erlangen ontwikkelde methode zal daadwerkelijk temporele resoluties bereiken in het bereik van attoseconden of een miljardste van een miljardste van een seconde. Een toepassing waarbij streak-camera's worden gebruikt, is het observeren van de voortplanting van licht.