Elektronen in immer kleinere Pakete verpackt

München - Mit extrem kurzen Lichtpulsen filmen Wissenschaftler schnelle Prozesse in Molekülen und Atomen. Über die Streuung von Elektronen könnte die räumliche Genauigkeit solcher Aufnahmen deutlich gesteigert werden. Dieses Ziel im Blick gelang es deutschen Physikern, Elektronen mit der Hilfe von Terahertzstrahlung in extrem kurze Pulspakete zu bündeln. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, könnten damit in Zukunft sogar die schnellen Bewegungen selbst von Elektronen innerhalb eines Atoms oder Moleküls verfolgt werden.

„Je kürzer die Elektronenpulse, desto schärfer die Bilder aus dem Mikrokosmos“, erklären Peter Baum und seine Kollegen von der Ludwig-Maximilians-Universität in München. Um die bisher kürzesten Elektronenpulse überhaupt zu erhalten, lenkten sie zuerst einen Laser auf eine dünne Goldschicht. Dabei wurden Elektronen herausgeschleudert, die sich als Elektronenpuls wie in einem Paket gebündelt in eine Richtung bewegten. Dieser Elektronenpuls ließ sich nun mit fokussierter Terahertzstrahlung immer mehr komprimieren.

Für diese Kompression richteten Baum und Kollegen die Terahertz- und die Elektronenpulse auf eine spezielle Antenne aus einer dünnen Aluminiumfolie. In diesem sogenannten Resonator beeinflussten sich Terahertzstrahlung und Elektronen gegenseitig. Über die Ausrichtung der Terahertzstrahlung konnten schnellere Elektronen im vorderen Teil des Pulspakets abgebremst werden. Umgekehrt ließen sich langsamere Elektronen, die etwas später der Terahertzstrahlung ausgesetzt wurden, beschleunigen. Das Ergebnis: Die Unterschiede in der Geschwindigkeit der Elektronen wurden immer kleiner und der gesamte Elektronenpuls immer kürzer.

Mit diesem Verfahren gelang es den Physikern, extrem kurze Elektronenpulse von nur 75 Femtosekunden Dauer zu erzeugen. Damit waren diese etwa 12-mal kürzer als die ursprünglichen Pulse. So legten die Forscher die Grundlage für neuartige Elektronenmikroskope, die nicht nur extrem kleine Strukturen, sondern auch sehr schnelle Prozesse sichtbar machen könnten. In weiteren Versuchen könnte nun die Pulsdauer mit Terahertzstrahlung sogar noch stärker bis auf wenige Femtosekunden verkürzt werden. Solche Elektronenpulse wären ideal, um Prozesse in Materie mit bisher unerreichter Auflösung in Raum und Zeit - also in vier Dimensionen - zu beobachten.