Universität Wien: Formung und Strukturierung von Elektronenstrahlen mit Laserlicht

Die Herausforderung

Dr. Thomas Juffmann ist außerordentlicher Professor an der Universität Wien (Österreich), dessen Forschungsgruppe sich auf die Entwicklung neuer bildgebender Verfahren in der Licht- und Elektronenmikroskopie konzentriert, die „die aus jedem entdeckten Sondenpartikel extrahierten Informationen maximieren.” Diese Forschung umfasst theoretische Studien, Multipass-Mikroskopie, adaptive Optik und optische Nahfeldelektronenmikroskopie. 

Dr. Juffmann erklärt, dass in den letzten Jahren die optischen Techniken sowohl in der Mikroskopie als auch in der Astronomie enorm von der Möglichkeit profitiert haben, Photonen mit aktiven Komponenten wie räumlichen Lichtmodulatoren und adaptiver Optik zu manipulieren. Die Elektronenmikroskopie ist in der Lage, einzigartig hochauflösende Daten über verschiedene Proben zu liefern, aber sie hat noch nicht von demselben Maß an cleverer Kontrolle über die Elektronen profitiert..... Eine soeben veröffentlichte Forschungsstudie [1] von Juffmanns Gruppe und Mitarbeitern der Universität Siegen hat jedoch gezeigt, wie dies jetzt möglich ist, mit potenziell enormen Auswirkungen auf die gepulste Elektronenmikroskopie und die Metrologie in zahlreichen wissenschaftlichen Disziplinen. Als mögliche Beispiele nennt Juffmann die Kontrastverstärkung in der Phasenmikroskopie oder die Ptychographie, die z. B. bei der Beobachtung von Phasenübergängen in Festkörpern Anwendung findet.

Die Lösung

Juffmann und seine Mitarbeiter entschieden sich, zu diesem Zweck den ponderomotorischen Effekt zu nutzen, einen schwachen Streueffekt, der erstmals 1933 von Kapitza und Dirac vorhergesagt wurde [2]. Der Effekt wurde schließlich zum ersten Mal 1988 von Bucksbaum et al. dank der Verwendung eines gepulsten Lasers beobachtet [3], und später von Freimund et al. in einem schönen Experiment, das die Beugung eines Elektronenpulses an einer stehenden Lichtwelle zeigte [4]. Juffmanns Team machte sich daran, diesen fundamentalen Mechanismus zu nutzen, um Elektronenstrahlen wie nie zuvor zu manipulieren.

Wie funktioniert das? Die pondermotivische Kraft bezieht sich auf die Bewegung von Elektronen in einem oszillierenden elektromagnetischen Feld, wie z. B. einem Lichtstrahl mit ungleichmäßiger Intensität. Diese Kraft führt dazu, dass sich die Elektronen von den Regionen mit hoher Intensität weg und in die Regionen mit niedrigerer Intensität bewegen. Juffmann wusste, dass es einen Weg geben könnte, Elektronen mit Licht zu manipulieren. Allerdings ist dies auch ein schwacher Effekt, der eine sehr hohe Lichtintensität erfordert. Also machte sich seine Gruppe daran, die notwendigen intensiven Feldstrukturen mit einem Femtosekundenlaser und einem räumlichen Lichtmodulator zu erzeugen.

Das Labor war mit einem Monaco 1035 Ultrafastlaser ausgestattet, der sich als ideale Lichtquelle für diese Experimente erwies. Juffmann erklärt: „Die Kombination aus kurzer (<300 fs) Pulsbreite und hoher (40 µJ) Pulsenergie bietet ausreichend Spitzenleistung für unsere aktuellen Experimente sowie für zukünftige Aufbauten mit mehr Pixeln in den Elektronenstrukturen. Und die Pulswiederholrate von 1 MHz sorgt für kurze Datenerfassungszeiten.” Als weiteren Vorteil nennt er die Zuverlässigkeit des Lasers, der in den fast 4 Jahren seines Betriebs in seinem Labor keine Ausfallzeiten hatte.

Das Ergebnis

Bei der Juffmann-Anordnung nimmt ein Strahlteiler einige Prozent der Laserintensität ab. Dieser wird auf eine Metallspitze fokussiert, um einen Stoß von Elektronen zu erzeugen, die dann als kollimierter Strahl beschleunigt werden. Der Rest des Laserstrahls wird durch ein räumliches Lichtmodul strukturiert, bevor er mit dem Elektronenstrahl in einer gegenläufigen Anordnung interagiert. Die Abbildung veranschaulicht die Fähigkeit dieses Ansatzes, beliebige Elektronenstrahlformen mit praktisch jeder Geometrie und jedem Detail zu erzeugen: Dies zeigt das Bild eines Phosphorschirms, der mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wird und so manipuliert wurde, dass verschiedene Strukturen entstehen, darunter auch ein „Smiley-Gesicht”. 

Juffmann merkt an, dass diese neue Methode im Vergleich zu anderen Techniken der Elektronenmanipulation programmierbar ist und Verluste, inelastische Streuung und potenzielle Instabilitäten aufgrund des Abbaus von Materialbeugungselementen vermeidet. Daher können Teile Ihres Elektronenmikroskops in Zukunft optische Anpassungen enthalten. Marius Mihaila, ein Doktorand im Juffmann-Labor, fasst zusammen: „Unsere Formungstechnik ermöglicht eine erfolgreiche Aberrationskorrektur und adaptive Bildgebung in gepulsten Elektronenmikroskopen. Damit können Sie Ihr Mikroskop an die Proben anpassen, die Sie untersuchen, um die Empfindlichkeit zu maximieren.”

Referenzen

1. MCC Mihaila et al, Transverse Electron-Beam Shaping with Light, Phys Rev. X 12, 031043 (2022). https://doi.org/10.1103/PhysRevX.12.031043
2. P.L. Kapitza and P.A.M. Dirac, The reflection of electrons from standing light waves. Proc. Camb. Phil. Soc. 29, 297–300 (1933).
3. P.H. Bucksbaum et al, High intensity Kapitza–Dirac effect. Phys. Rev. Lett. 61, 1182–1185 (1988).
4. Freimund et al, Observation of the Kapitza-Dirac effect, Nature, 413, 142-143 (2001). 

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