Eine Kamera für unsichtbare Felder

Elektromagnetische Felder sind der Motor unserer Elektronik. Alle elektronischen Geräte des Alltags werden letztendlich von elektromagnetischen Feldern angetrieben. Durch sie verschieben sich Elektronen und Ströme in Bauteilen wie etwa in Transistoren. Dort sorgen sie letztendlich für Datenfluss oder Speichervorgänge. Sie verändern sich rasend schnell, sind unsichtbar und damit schwer zu fassen. Eine bessere Kenntnis der elektromagnetischen Feldverläufe und ihrer ultraschnellen Veränderungen in elektronischen Bauteilen könnte die Elektronik der Zukunft effizienter gestalten. Diesem Ziel sind nun Attosekundenphysiker der Arbeitsgruppe „Ultrafast Electron Imaging“ der LMU und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) einen wichtigen Schritt nähergekommen. Sie haben ein Elektronenmikroskop gebaut, mit dem sie elektromagnetische Felder sichtbar machen und deren ultraschnelle Veränderungen aufzeichnen können.

Das Elektronenmikroskop wird mit ultrakurzen Laserpulsen von wenigen Femtosekunden Dauer betrieben (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer milliardstel Sekunde). Diese Laserpulse erzeugen wiederum Elektronenpulse, die nur aus einzelnen Elektronen bestehen und durch das Einwirken von Terahertz-Strahlung weiter verkürzt werden. Diese Technologie haben die Münchner Physiker schon vorher entwickelt, sie erlaubt es, Elektronenpulse zu erzeugen, die kürzer sind als eine halbe Schwingung einer Lichtwelle.

Mit halber Lichtgeschwindigkeit

Mit solchen ultrakurzen Elektronenpulsen können die Wissenschaftler nun elektromagnetische Felder sichtbar machen. Im Experiment ließen sie die Elektronenpulse auf eine Mikroantenne treffen. Diese Mikroantenne wurde zuvor durch Terahertz-Strahlung angeregt, sodass in ihrem Umkreis optische Effekte, also elektromagnetische Felder, entstanden. Gleichzeitig durchdrangen die kurzen Elektronenpulse die Antenne. An den elektromagnetischen Feldern wurden die Elektronenpulse gestreut und deren Ablenkung aufgezeichnet. Über die Ablenkung der Elektronenpulse erhielten die Forscher Auskunft über die räumliche Verteilung, die zeitliche Variation, die Richtung und die Polarisation des Lichts, das die Mikroantenne aussendete.

„Um solche elektromagnetischen Lichtfelder zu visualisieren, sind zwei Voraussetzungen wichtig“, erklärt Dr. Peter Baum, der Leiter der Experimente. „Die Elektronenpulse müssen kürzer sein als ein Lichtzyklus. Und zudem muss die Durchgangszeit durch die zu untersuchende Struktur kürzer sein als ein Lichtzyklus.“ Die Elektronenpulse fliegen ungefähr mit halber Lichtgeschwindigkeit.

Mit ihrer erweiterten Elektronenmikroskopie haben die Physiker nun eine Grundlage geschaffen, selbst kleinste und schnellste elektromagnetische Felder exakt zu detektieren und damit besser zu verstehen, wie etwa Transistoren oder optische Schalter arbeiten und was in ihnen passiert.

Interessant ist die neue Technologie außerdem für die Entwicklung und Analyse von Metamaterialien. Metamaterialien sind künstliche Nanostrukturen, deren Durchlässigkeit für elektrische und magnetische Felder von der in der Natur üblichen grundlegend abweicht, sodass optische Phänomene entstehen, die sich mit herkömmlichen Stoffen niemals realisieren lassen. Metamaterialien eröffnen völlig neue Perspektiven in der Optik und Optoelektronik, und könnten zu wichtigen Bausteinen für lichtgetriebene Schaltkreise und Rechner der Zukunft werden. Mit ihrem Ansatz der Elektronenmikroskopie tragen die Münchner Attosenkundenphysiker dazu bei, das alles besser zu verstehen und Realität werden zu lassen. (Thorsten Naeser)Science 2016

Mehr zum Thema: Attosekundenphysik: Filme aus dem Mikrokosmos (vom 22.04.2016)