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26.06.2022

09.02.2022

Neue Lasertechnologie für Elektronenmikroskope

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Forschende aus Göttingen und der Schweiz haben erstmals einen Elektronenstrahl mittels eines optischen Mikrochips manipuliert. Ihre Experimente eröffnen den Weg zu neuen quantenmechanischen Messverfahren in der Elektronenmikroskopie.

Photonik und Elektronenmikroskopie sind zwei hochentwickelte Forschungsgebiete, die in Wissenschaft und Technik herausragende Funktionen einnehmen. Elektronenmikroskope zählen zu den wichtigsten Instrumenten, um Materie auf atomarer Ebene zu untersuchen. Sie trugen so zu revolutionären Durchbrüchen in der Materialwissenschaft und der Strukturbiologie bei.

Moderne Photonik wiederum ermöglicht eine nie dagewesene Präzision in der Kontrolle von Licht. Bereits seit Längerem wird daran gearbeitet, die Stärken der Elektronenmikroskopie und Photonik für neue Messverfahren zu kombinieren, zum Beispiel, indem man Elektronenstrahlen mit Lasern steuert. Doch typischerweise sind die Wechselwirkungen zwischen freien Elektronen und Photonen sehr schwach, was diese Vorhaben bisher immens erschwerte.

Teams um Claus Ropers vom Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften und der Universität Göttingen sowie Tobias J. Kippenberg von der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) gelang es nun erstmals, einen Elektronenstrahl mittels Photonik zu kontrollieren. Dafür nutzten die Forschungsgruppen die Technik der sogenannten integrierten Photonik. Diese erlaubt es, Licht auf einem Mikrochip zu führen und beispielsweise in ringförmigen Lichtspeichern, den Resonatoren, zu verstärken.

"In unseren Experimenten haben wir einen Elektronenstrahl durch das optische Nahfeld eines photonischen Mikroresonators gelenkt. Als Nahfeld bezeichnet man die Umgebung sehr nah an der lichtleitenden Struktur. Die Streuung der Elektronen an dem darin millionenfach verstärkten Lichtfeld führte zu ausgeprägten Energieänderungen der Elektronen. Diese absorbierten teils mehrere zehn bis hundert Photonen - bei einer eingesetzten kontinuierlichen Eingangsleistung von lediglich wenigen Milliwatt. Letzteres entspricht der Leistung eines gewöhnlichen Laserpointers", erklärt Ropers die Elektronenstrahlmanipulation.

Die starke Wechselwirkung machen speziell gestaltete Mikroresonatoren möglich. Entwickelt vom Team um Kippenberg sind diese Strukturen so konzipiert, dass sie die Geschwindigkeit des Lichts im Resonator perfekt an die Geschwindigkeit der vorbeifliegenden Elektronen anpassen. Elektronen und Photonen können so effizienter miteinander koppeln.

Der jetzt im Wissenschaftsmagazin Nature publizierte Ansatz mit Erstautor Jan-Wilke Henke ist einfach genug, dass er in gewöhnlichen Elektronenmikroskopen angewandt werden kann. Dies erweitert drastisch die Anwendbarkeit der Elektronenstrahl-Manipulation mit Licht. Insbesondere wird es damit besser möglich sein, optische Eigenschaften von Materialien auf kleinsten Längenskalen zu untersuchen.

"Integrierte photonische Strukturen haben sich enorm weiterentwickelt und stehen im Zentrum zahlreicher technologischer und wissenschaftlicher Fortschritte in Bereichen wie Telekommunikation und Quantencomputing. Nun zeigt sich auch ihr besonderer Nutzen in der Manipulation von Elektronenstrahlen", sagt Kippenberg. "Elektronenmikroskopie und Photonik verbinden sich dabei auf besondere Weise für Abbildungen und Spektroskopie mit hoher Auflösung", fügt Ropers hinzu. "Dadurch werden zukünftig neue quantenmechanischen Messverfahren in der Elektronenmikroskopie möglich."

» Originalpublikation

Quelle: Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften