Natuurkundigen van het Laboratory for Attosecond Physics (gezamenlijk gerund door LMU München en het Max Planck Institute for Quantum Optics) hebben een attoseconde elektronenmicroscoop ontwikkeld waarmee ze de verspreiding van licht in tijd en ruimte kunnen visualiseren, en observeer de bewegingen van elektronen in atomen.

De meest fundamentele van alle fysieke interacties in de natuur is die tussen licht en materie. Deze interactie vindt plaats in tijden van attoseconden (d.w.z. miljardsten van een miljardste van een seconde). Wat er precies gebeurt in zo'n verbazingwekkend korte tijd is tot nu toe grotendeels ontoegankelijk gebleven. Nu heeft een onderzoeksteam onder leiding van Dr. Peter Baum en Dr. Yuya Morimoto van het Laboratory for Attosecond Physics (LAP), een samenwerking tussen LMU München en het Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ), heeft een nieuwe manier van elektronenmicroscopie ontwikkeld, waardoor men deze fundamentele interactie in realtime en in de echte ruimte kan observeren.

Om fenomenen te visualiseren die zich voordoen op de attoseconde schaal, zoals de interactie tussen licht en atomen, men heeft een methode nodig die gelijke tred houdt met de ultrasnelle processen met een ruimtelijke resolutie op atomaire schaal. Om aan deze eisen te voldoen, Baum en Morimoto maken gebruik van het feit dat elektronen, als elementaire deeltjes, hebben ook golfachtige eigenschappen en kunnen zich gedragen als zogenaamde golfpakketten. De onderzoekers richten een bundel elektronen op een dunne, diëlektrische folie, waarbij de elektronengolf wordt gemoduleerd door bestraling met een orthogonaal georiënteerde laser. De interactie met het oscillerende optische veld versnelt en vertraagt ​​afwisselend de elektronen, wat leidt tot de vorming van een reeks attoseconde-pulsen. Deze golfpakketten bestaan ​​uit ongeveer 100 individuele pulsen, die elk ongeveer 800 attoseconden duren.

Voor de doeleinden van microscopie, deze elektronenpulstreinen hebben één groot voordeel ten opzichte van reeksen van attoseconde optische pulsen:ze hebben een veel kortere golflengte. Ze kunnen daarom worden gebruikt om deeltjes met afmetingen kleiner dan 1 nanometer waar te nemen, zoals atomen. Deze eigenschappen maken ultrakorte elektronenpulstreinen een ideaal hulpmiddel om te monitoren, live, de ultrasnelle processen die worden geïnitieerd door de impact van lichtoscillaties op materie.

In hun eerste twee experimentele tests van de nieuwe methode, de onderzoekers uit München draaiden hun attoseconde pulstreinen op een siliciumkristal, en konden observeren hoe de lichtcycli zich voortplanten en hoe de elektronengolfpakketten werden gebroken, afgebogen en verspreid in ruimte en tijd. In de toekomst, met dit concept kunnen ze direct meten hoe de elektronen in het kristal zich gedragen als reactie op de lichtcycli, het primaire effect van elke interactie tussen licht en materie. Met andere woorden, de procedure bereikt een subatomaire en sub-lichtcyclusresolutie, en de natuurkundigen van LAP kunnen deze fundamentele interacties nu in realtime volgen.

Hun volgende doel is het genereren van enkele attoseconde elektronengolfpakketten, om met nog hogere precisie te volgen wat er gebeurt tijdens subatomaire interacties. De nieuwe methode zou toepassing kunnen vinden bij de ontwikkeling van metamaterialen. Metamaterialen zijn kunstmatig, d.w.z. gemanipuleerde nanostructuren, waarvan de elektrische permittiviteit en magnetische permeabiliteit aanzienlijk afwijken van die van conventionele materialen. Dit geeft op zijn beurt aanleiding tot unieke optische fenomenen, die nieuwe perspectieven openen in optica en opto-elektronica. Inderdaad, metamaterialen kunnen heel goed als basiscomponenten dienen in toekomstige lichtgestuurde computers.