Technische Universität Graz

Die Herausforderung

Forscher aus den Bereichen Materialwissenschaft und Enzymdynamik benötigen Werkzeuge zur Untersuchung flüssiger und fester Proben mit sowohl höherer räumlicher als auch zeitlicher Auflösung. Optische Lasermethoden können leicht die Zeitskala von Femtosekunden (fs) erreichen, aber ihre räumliche Auflösung ist durch Beugung begrenzt. Umgekehrt kann die Elektronenbeugung zwar eine atomare Auflösung erreichen, doch fehlt ihr die zeitliche Auflösung. Ein möglicher Weg, das Beste von beidem zu kombinieren, ist die Verwendung eines fs-Laserpulses zur Wechselwirkung mit Elektronen in einem Mechanismus, der als laserunterstützte Elektronenstreuung (Laser-Assisted Electron Scattering – LAES) bezeichnet wird. Bis vor kurzem wurde LAES jedoch nur in Gasphasenproben beobachtet.

Die Lösung

Professor Markus Koch vom Institut für Experimentalphysik (IEP) der Technischen Universität Graz, Österreich, erklärt: „Bei LAES gewinnen oder verlieren Elektronen Energie, indem sie mit Atomen zusammenstoßen, während sie von einem starken Laserlichtfeld bestrahlt werden. Wenn Sie also ein Nachweisverfahren für die Elektronen verwenden, die eine Energiediskriminierung ermöglichen, können Sie nur die Elektronen nachweisen, die während des Laserpulses mit der Probe in Wechselwirkung getreten sind. Mit Laserpulsen im Femtosekundenbereich hat man praktisch Elektronenpulse auf der gleichen Zeitskala.“

In Experimenten unter der Leitung des Doktoranden Leonhard Treiber versuchte das Koch-Labor, LAES in einfachen kondensierten Proben zu erzeugen. Dabei handelte es sich um winzige (3–30 nm) Tröpfchen aus supraflüssigem Helium, die jeweils mit einzelnen Atomen (In oder Xe) oder Molekülen (Aceton) beladen waren und als Elektronenquelle dienten. Die Tröpfchen wurden mit fokussierten 800-nm-Pulsen aus einem Coherent Legend Duo-Verstärker bestrahlt, der mit 3 kHz und 25 fs arbeitet. Das Laserlicht induzierte eine überschwellige Ionisierung (ATI) der Einzelteilchen-Targets, gefolgt von LAES, verursacht durch die Heliumatome, die die Tröpfchenhülle bilden. Das Photoelektronen-Energiespektrum wurde dann unter Verwendung einer Standard-Flugzeitmessung aufgezeichnet.

Koch betont, dass die Stabilität des Legend Duo von entscheidender Bedeutung war, da die Kombination aus isolierten Atomen und einzelnen Tröpfchen sehr schwache Signale bedeutete, die Datenläufe über Nacht von insgesamt 10 Stunden erforderten. Er stellt außerdem fest, dass sich dieser Laser seit über 8 Jahren als zuverlässiges Arbeitstier bewährt hat. „Wir müssen uns nicht auf diesen Laser konzentrieren; wir können ihn höchstens zweimal im Jahr optimieren. Er ist wirklich eine zuverlässige Femtosekundenquelle.“

Das Ergebnis

Der Vergleich der Elektronenspektren mit und ohne Heliumhülle bestätigte, dass LAES stattfand. Die Daten wurden dann in Zusammenarbeit mit Markus Kitzler-Zeiler von der TU Wien und Reika Kanya von der Tokyo Metropolitan University gründlich analysiert und modelliert. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.