Weltweit schnellstes Mikroskop zeigt bewegte Atome und Elektronen

Ein Team von Physikern hat das wahrscheinlich schnellste Mikroskop der Welt entwickelt. Mit ihm lassen sich sogar die extrem flinken Bewegungen von Atomen beobachten, wofür Aufnahmen im Attosekunden-Bereich angefertigt werden müssen.

Unfassbar kurze Zeiträume

Für unser alltägliches Verständnis sind im Grunde schon deutlich größere Bruchteile einer Sekunde nur noch schwer zu erfassen. Eine Attosekunde ist allerdings das Milliardstel eines Milliardstels einer Sekunde. Die an der University of Arizona in Tucson entwickelte Mikroskopietechnik ermöglicht es so, Elektronenbewegungen in Echtzeit zu beobachten.

"Die Verbesserung der zeitlichen Auflösung in Elektronenmikroskopen wurde lange erwartet und war der Fokus vieler Forschungsgruppen, weil wir alle die Elektronenbewegungen sehen wollen", erklärte Mohammed Hassan von der University of Arizona Tucson. "Zum ersten Mal können wir mit unserem Elektronentransmissionsmikroskop eine zeitliche Auflösung im Attosekunden-Bereich erreichen. Wir haben es 'Attomikroskopie' genannt. Zum ersten Mal können wir Teile des Elektrons in Bewegung sehen." Die Verteilung der Elektronendichte in einer Graphenprobe. Elektronentransmissionsmikroskopie (TEM) ist eine Technik, die zur Erzeugung von Bildern der kleinsten Strukturen in der physikalischen Welt verwendet wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lichtmikroskopen nutzt TEM Elektronenstrahlen, die durch eine Materialprobe geleitet werden. Die Wechselwirkung zwischen den Elektronen und der Probe erzeugt das Bild. Die Qualität der TEM-Bilder hängt von der Geschwindigkeit der Laserimpulse ab, die die Elektronen übertragen - je kürzer die Impulse, desto besser das Bild.


Bisher erreichten TEM-Laser eine Dauer von einigen Attosekunden, wobei die Impulse in kurzen Stößen freigesetzt wurden. Dies ermöglichte zwar die Erzeugung einer Bildserie, doch da sich Elektronen zwischen den Impulsen schneller bewegten, gingen wesentliche Informationen verloren - ähnlich, wie es bei Bewegungen und zu hohen Belichtungszeiten bei der normalen Fotografie der Fall ist.

Hilfe bei Quantenforschung

Das Forschungsteam wollte herausfinden, ob es möglich wäre, die Dauer der gepulsten Strahlen auf nur eine Attosekunde zu verkürzen - die Geschwindigkeit, mit der sich die Elektronen bewegen - und so den TEM zu ermöglichen, Elektronen in einer Art "Freeze-Frame" festzuhalten. Der Durchbruch wurde erreicht, indem der Impuls in drei Teile aufgeteilt wurde: zwei Lichtimpulse und ein Elektronenimpuls. Der erste Lichtimpuls, der sogenannte Pumpimpuls, injiziert Energie in eine Graphenprobe und bringt die Elektronen in Bewegung. Der zweite Lichtimpuls, der Gateimpuls, öffnet ein "Fenster", währenddessen ein einzelner Elektronenimpuls im Attosekunden-Bereich auf die Probe abgefeuert wird, um die subatomaren Prozesse festzuhalten.

Das Ergebnis ist eine präzise Karte der Elektronendynamik, die neue Studien zur Verhaltensweise dieser wichtigen Teilchen ermöglicht. "Dieses Elektronentransmissionsmikroskop ist wie eine sehr leistungsfähige Kamera in den neuesten Smartphones; es ermöglicht uns, Dinge zu sehen, die wir vorher nicht sehen konnten - wie Elektronen", so Hassan. "Mit diesem Mikroskop hoffen wir, dass die wissenschaftliche Gemeinschaft die Quantenphysik hinter dem Verhalten und der Bewegung von Elektronen besser verstehen kann." Die Forschung wurde im Journal Science Advances veröffentlicht.


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