Elektronenblitze für die Nanowelt

Strukturen im Nanobereich werden sichtbar gemacht

Sich zeitlich schnell verändernde Strukturen im Nanobereich lassen sich künftig sehr viel besser sichtbar machen als bisher. Möglich wird dies durch die Erzeugung von extrem kurzen Elektronenblitzen mit einem neuen Verfahren, an dem u.a. der Oldenburger Physiker Prof. Dr. Christoph Lienau beteiligt ist. Lienau und seine Kollegen vom Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) in Berlin-Adlershof berichten über ihren Forschungserfolg in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters (Bd. 98, 043907, 2007).

(oben) Schema des Experiments mit Metallspitze (grau) und Metall-Nanograben (gelbe Struktur). In den Experimenten wird die Spitze mit einem 0,007 ps langen Lichtimpuls beleuchtet und über die Nanostruktur hinweg bewegt. Dabei ändert sich im Bereich des Nanograbens die Elektronenausbeute. (unten) Elektronenbild des Nanograbens. Der farbige Teil der Abbildung zeigt die lokale Elektronenkonzentration (hell: hohe Konzentration), aus der sich das Profil und die räumlich variierende elektromagnetische Feldstärke des Nanograbens bestimmen lassen.

Strukturänderungen in Nanosystemen, wie z. B. molekulare oder magnetische Schaltprozesse, der Stromtransport in Solarzellen oder die Faltung von Proteinen, laufen mit unvorstellbar hoher Geschwindigkeit auf Zeitskalen von weniger als 1 Pikosekunde, dem millionsten Teil einer Millionstel Sekunde, ab. Weltweit wird gegenwärtig intensiv daran gearbeitet, solche Prozesse sichtbar zu machen, indem man sie mit extrem kurzen Röntgen- oder Elektronenimpulsen fotografiert. Bislang ist es aber immer noch sehr schwierig, hinreichend schnelle Röntgen- oder Elektroblitze zu erzeugen.

„Uns ist es jetzt gelungen, Elektronenblitze zu erzeugen, die nur etwa eine Hunderstel Pikosekunde dauern“, erklärt Lienau, der die Arbeitsgruppe „Ultraschnelle Nano-Optik“ im Institut für Physik der Universität Oldenburg leitet. Bei dem neuen Verfahren arbeiten die Wissenschaftler mit einer hauchfeinen Spitze aus Gold, die mit ultrakurzen Lichtimpulsen (Laser) zum Aussenden von Elektronen angeregt wird. Die speziellen Bedingungen dieses Anregungsprozesses führen dazu, dass die Elektronenimpulse nur aus dem Ende der Spitze austreten und eine extrem kurze Dauer von weniger als 0,02 Pikosekunden aufweisen. Indem man diese Spitze über eine Nanostruktur führt und dabei die Anzahl der austretenden Blitze mit dem Elektronenmikroskop registriert, können nun zeitaufgelöste elektronenmikroskopische Bilder von Nanostrukturen aufgenommen werden. Ein erstes solches Bild zeigt die räumliche Verteilung elektromagnetische Felder in der Nähe eines sogenannten Nanograbens in einem Metallfilm. Die Forscher sehen eine Vielzahl von Anwendungen der neuen Technik bei der Strukturuntersuchung von Festkörpern und Oberflächen voraus.

Prof. Dr. Christoph Lienau

Kontakt: Prof. Dr. Christoph Lienau, Institut für Physik, Tel. 0441/798-3485, E-Mail: christoph.lienau@uni-oldenburg.de