Elektronenmikroskope sind mächtige Werkzeuge, um kleinste Nanopartikel sichtbar zu machen. Ihre Zeitauflösung ist jedoch bisher begrenzt: Oftmals können sie schnelle zeitliche Veränderungen in der Struktur von Nanopartikeln nicht mehr auflösen. Die Bewegung von Elektronen, die auf extrem kurzen Zeitskalen von Femtosekunden – dem billiardsten Teil einer Sekunde – abläuft, bleibt daher meist verborgen. Diese Bewegungen sind aber entscheidend für die Funktion der Nanopartikel zum Beispiel in Solarzellen oder Batterien. ForscherInnen arbeiten daher weltweit intensiv an der Entwicklung von neuen, zeitaufgelösten Elektronenmikroskopen.

Einem Team von Oldenburger PhysikerInnen aus der Arbeitsgruppe Ultraschnelle Nanooptik von Prof. Dr. Christoph Lienau ist nun ein wichtiger Schritt zur Realisierung solcher Mikroskope gelungen. In einem am 11.12.12 erschienenen Aufsatz in der renommierten Fachzeitschrift "Physical Review Letters" (Phys. Rev. Lett. 109, 244803 (2012)) zeigen sie, wie man die Bewegung von Elektronen, die aus feinen Goldspitzen herausgeschlagen wurden, manipulieren und steuern kann: durch kurze Lichtblitze.

"Wie beim klassischen Einsteinschen Photoeffekt benutzen wir Licht, um Elektronen aus einer Metallspitze herauszulösen", sagt der Oldenburger Physiker Doojae Park. "In unserem Fall jedoch verwenden wir extrem kurze Lichtimpulse, deren elektrische Felder so stark sind, dass Elektronen aus der Spitze heraustunneln. Wir sehen, wie das Lichtfeld in der Nähe der Spitze diese Elektronen beschleunigt und die Flugrichtung der Elektronen vorgibt."

Der entscheidende Unterschied zu konventionellen elektronischen Bauelementen, wie sie in jedem Computer vorkommen: Die Physiker benutzen nicht elektrische Spannungen, um die Elektronen voranzutreiben, sondern direkt das oszillierende elektrische Feld extrem kurzer Lichtimpulse. Dabei bewegt sich das Elektron auf der Lichtwelle ähnlich wie ein Surfer auf einer großen Meereswelle.

"Das ist ein wichtiger Schritt, um die Bewegung von Elektronen auf Zeitskalen von weniger als einer Femtosekunde zu steuern", sagt Lienau, Leiter des Oldenburger Projekts, das die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Schwerpunktprogramms "Ultraschnelle Nanooptik" fördert.

[12.12.2012]