Neuartiges Photonsieb eröffnet neue Wege in der Untersuchung von Materie mit Elektronen und Licht

Möchte man die Eigenschaften von neuen Materialien untersuchen, so gibt es dazu verschiedene Möglichkeiten: Röntgenstrahlen können etwas über die Kristallstruktur aussagen, Licht kann die optischen Eigenschaften untersuchen, und Elektronen können in einem Elektronenmikroskop sogar direkt die Kristallstruktur abbilden.

Benutzt man nun kurze Pulse und sendet man zwei dieser Pulse kurz nacheinander auf ein Material, so lassen sich auch zeitliche Vorgänge wie in einem Film darstellen. Man nennt diese Technik auch „Pump-Probe-Spektroskopie“. Ein erster Pump-Laserpuls kann das Material für eine kurze Zeit verändern, und ein zweiter Probe-Puls untersucht dann nach einer variablen Zeit die optischen Eigenschaften, zum Beispiel die Reflektivität des Materials. Verändert man die Zeit zwischen Pump- und Probepuls, so läßt sich die gesamte Dynamik des Vorgangs auf einer Femtosekunden-Zeitskala untersuchen.

Mit diesen Techniken hat man zum Beispiel untersucht, was beim Schmelzen eines Metalls bei der Lasermaterialbearbeitung oder beim Übergang von einem Metall zum Isolator passiert. Seit kurzem kann man diese Technik auch mit anderen Strahlen kombinieren. So kann der Freie Elektronenlaser XFEL am DESY in Hamburg extrem kurze Röntgenpulse herstellen, mit der man Materialien auch bei dynamischen Strukturveränderungen untersuchen kann. Seit ganz kurzer Zeit gibt es bei einigen wenigen Gruppen in der Welt auch die Möglichkeit, extrem kurze Elektronenpulse zu erzeugen, so daß dadurch auch Elektronenmikroskop-Filme möglich werden, die Materialien auf atomarer Skala während einer Veränderung auf einer Femtosekundenskala zeigen.

Leider sind diese Experimente extrem aufwendig und sehr teuer. So liegen die Baukosten für den XFEL über eine Milliarde Euro, und auch ein zeitaufgelöstes Elektronenmikroskop kostet viele Millionen Euro.

Nun hat die Physikerin Dr. Nahid Talebi vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart eine neue Methode ersonnen, wie man die Untersuchung von Stoffen mit Licht und Elektronen viel einfacher und kostengünstiger gestalten könnte. Dazu erdachte sie ein neuartiges Photonensieb, das dann in der Arbeitsgruppe von Prof. Harald Giessen an der Uni Stuttgart mithilfe einer neuartigen Ionenstrahl-Lithographieanlage von Dr. Mario Hentschel hergestellt wurde (Abb. 1). Diese Gold-Nanostruktur, die aus vielen regelmäßig angeordneten winzigen Löchern von nur 100 Nanometern Durchmesser in einem 50 Nanometer dicken Goldfilm auf einer Siliziumnitridmembran bestand, wurde dann in ein Elektronenmikroskop eingebracht. Die Positionen dieser Löcher wurden von Dr. Talebi extrem genau berechnet. Sie nutzte dabei das Prinzip der Transformationsoptik (Abb. 2), das vom britischen Physiker Sir John Pendry stammt, der diese Technik auch für optische Tarnkappen und perfekte Linsen angewandt hat.

Abb. 1: Eines der Photonensiebe. Es besteht aus Löchern mit 100 nm Durchmesser, die mittels Ionenstrahl-Lithographie in einen 50 nm dicken Goldfilm gebohrt wurden (an der Universität Stuttgart). Das Bild wurde mittels Dunkelfeld-Elektronenmikroskopie aufgenommen.
Abb. 2: Oben: Die Positionen der Löcher wurde von eine kugelförmigen Form auf eine glatte Goldschicht projiziert, so dass ein effizientes Photonensieb entsteht. Unten: Durch die Projektion eines regelmäßigen Musters in dem kugelförmigen Goldfilm (links) entsteht auf dem glatten Goldfilm das Muster rechts.

Trifft nun ein Elektron auf dieses Photonensieb auf (Abb. 3), so regt es eine Schwingung der Elektronen im Gold an, ein sogenanntes Oberflächenplasmon, das auf der Goldmembran entlangläuft. Beim Auftreffen auf die winzigen Löcher werden jedesmal Lichtwellen freigesetzt, die sich nach dem Huygens´schen Prinzip wie Wasserwellen konstruktiv überlagern und hinter dem Photonensieb einen Brennpunkt bilden (Abb. 4).

Abb. 3: Von oben trifft ein Elektron auf das Photonensieb. Durch sogenannte Oberflächenplasmonen wird Licht erzeugt und an den Löchern wieder abgestrahlt. Durch die spezielle Struktur der Lochanordnung wird das Elektron-induzierten Licht hinter dem Photonensieb phasenrichtig in einem Brennpunkt fokussiert.

Abb. 4: Winkel-aufgelöstes Kathodolumineszenz-Bild, das die Entstehung des Brennpunktes aus Licht bestätigt. Aufgenommen am AMOLF in Amsterdam.

Abb. 5: Simulation der Interferenz zwischen Elektronen-induzierter und Photonensieb-induzierter Kathodoluminesnzenz in einer Probe.

Befindet sich hinter dem Photonensieb eine Materialprobe, so kann das Licht auf diese auftreffen. Da auch das ursprüngliche Elektron auf die Probe fällt, ermöglicht dieses nun eine Abbildung der Probenstruktur im Elektronenmikroskop. Je nach einfallender Energie der Elektronen kann man den Elektronenpuls vor oder nach dem Lichtpuls auf die Probe einfallen lassen und somit auch die zeitabhängige Dynamik der Vorgänge im Material untersuchen (Abb. 5).

Dies hat Nahid Talebi, die ursprünglich aus dem Iran stammt, die kürzlich mit einem prestigeträchtigen ERC Starting Grant des Europäischen Forschungsrats ausgezeichnet wurde und nun eine Forschungsgruppe in Stuttgart leitet, in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Albert Polman am Forschungszentrum AMOLF in Amsterdam nachgewiesen und jetzt in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

In Zukunft möchte sie die eine feste Phasenbeziehung der Elektronen- und Lichtwellen zueinander nutzen, um ihr neues Konzept der „Zeit-Energie-Holographie“ zu demonstrieren. Dies nutzt aus, daß Interferenzen zwischen den Elektronen- und Licht-induzierten Anregungen in Materie möglich sind. Dadurch würde es möglich, vielen mikrosopischen Phänomenen auf einer ultraschnellen Zeitskala auf die Spur zu kommen.

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