Ultraschnelle Nanooptik: Neue Methode für ultrakurze Elektronenimpulse entdeckt

Oldenburg. Erneuter Erfolg für die Oldenburger Nanoforscher: Physiker um Dr. Petra Groß von der Arbeitsgruppe „Ultraschnelle Nanooptik“ am Institut für Physik konnten in der renommierten Fachzeitschrift „Nano Letters“ einen Artikel veröffentlichen, dessen Forschungsergebnisse zur Entwicklung einer neuen Art von Elektronenmikroskopen betragen könnten.

Elektronenmikroskope ermöglichen es, kleinste Nanostrukturen mit solch hoher räumlicher Auflösung abzubilden, dass einzelne Atome „gesehen“ werden können. Dies erlaubt vielfältige neue Einblicke in die Funktionsweise von unterschiedlichsten organischen und anorganischen Materialien. Solche Mikroskope liefern aber meist nur statische Bilder, quasi ein Stillleben der Nanostruktur. Für die Wissenschaft von größerem Interesse wäre ein Werkzeug, das gewissermaßen Videos mit atomarer Auflösung erzeugen kann – also die für die Funktion verantwortliche Bewegung von Elektronen und Atomen sichtbar macht. Dafür werden spezielle zeitaufgelöste Elektronenmikroskope benötigt.

Erste Modelle solcher Geräte sind mittlerweile kommerziell erhältlich. Allerdings sind sie noch nicht in der Lage, die Bewegungen auf atomarer Ebene scharf abzubilden. Der Grund: Ähnlich wie bei der klassischen Fotografie kann die „Verschlusszeit“ nicht kurz genug gewählt werden, um diese ultraschnellen und komplexen Vorgänge sichtbar zu machen. Den Oldenburger Wissenschaftlern ist nun jedoch ein weiterer wichtiger Schritt hin zu einem Mikroskop mit ultrakurzer Belichtungszeit gelungen. Groß und ihr Team demonstrieren ein neues Verfahren zum Erzeugen kurzer Elektronenblitze. „In bisherigen Experimenten wurden die Elektronenblitze dadurch erzeugt, dass eine atomar scharfe Metallspitze mit kurzen Laserimpulsen direkt beleuchtet wird und durch den Einsteinschen Photoeffekt die Elektronen aus dem Metall ausgelöst werden“, erklärt Groß. Zu dieser Methode haben die Wissenschaftler bereits vor zwei Jahren erste bahnbrechende Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Nature Photonics“ veröffentlicht. Die Methode hat allerdings einen Nachteil: „Für unser neuartiges Elektronenmikroskop möchten wir die zu untersuchende Probe gern möglichst dicht an die Spitze heranbringen. Das geht aber mit beleuchteten Spitzen nicht, da der intensive Laser sonst auch die Probe beleuchten würde. Die Abstände sind einfach zu gering und nicht mehr kontrollierbar“, berichtet Groß.

Doktorand Jan Vogelsang bei der Justage optischer Komponenten

Dieses Problem konnten die Oldenburger Physiker nun auf elegante Art lösen. Die Forscher beleuchten nicht direkt das Ende der Spitze sondern einen nanostrukturierten Gitterkoppler, den sie an der Seite der Spitze angebracht haben. Seine Beleuchtung erzeugt Lichtwellen, die entlang der Spitze laufen und sich dabei räumlich immer weiter zusammenziehen. „Ganz am Ende der Spitze entsteht ein Nano-Lichtfleck mit einer Größe von nur noch 10 Nanometern“, sagt Doktorand Jan Vogelsang, der an den Experimenten maßgeblich beteiligt war. „Hier wird – ganz ähnlich wie bei einem Blitzableiter – die Stärke des Lichtfeldes so groß, dass Elektronen aus der Spitze herausgeschlagen werden. Unsere Messungen haben ergeben, dass diese Art der Elektronenerzeugung besser funktioniert als die klassische Variante. Damit haben wir nicht gerechnet“, freut sich Vogelsang. Die Forschungsgruppe konnte nachweisen, dass bereits in den ersten Experimenten 50 Mal mehr Elektronen erzeugt wurden als mit der ursprünglichen Methode.

Damit steht den Wissenschaftlern nun eine freistehende Elektronenquelle zur Verfügung, die sie bereits in erste Mikroskopieaufbauten eingearbeitet haben. „Die Quelle haben wir uns patentrechtlich schützen lassen. Sie eignet sich nicht nur für zeitaufgelöste Elektronenmikroskopie sondern könnte auch ein wichtiger Schritt sein, um die Zeitauflösung von Rastertunnelmikroskopen, einem weiteren wichtigen Werkzeug der Nanotechnologie, zu verbessern“, resümiert Groß.

In weiteren Experimenten wollen die Wissenschaftler nun versuchen, die Dauer der Elektronenimpulse von etwa zehn Femtosekunden direkt nachzuweisen, was die Zeitauflösung in der Elektronenmikroskopie deutlich verbessern würde.

Veröffentlichung:
Vogelsang, J., Robin, J., Nagy, B.J., Dombi, P., Rosenkranz, D., Schiek, M., Groß, P., and Lienau, C. (2015). Ultrafast Electron Emission from a Sharp Metal Nanotaper Driven by Adiabatic Nanofocusing of Surface Plasmons. Nano Lett. (2015). doi:10.1021/acs.nanolett.5b01513

[10.07.15]

 

Kontakt

Dr. Petra Groß
Institut für Physik

E-Mail: Petra Groß

Tel.: +49(0)441 798 3490