Fysiker vid Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) har tagit sig in på nytt territorium när det gäller pulsering av elektronstrålar. Deras metod kan snart användas för att utveckla elektronmikroskop som är lämpliga för ultrakorta tidsskalor som behövs för att observera atomers rörelse.

Elektronmikroskop har öppnat en helt ny värld för forskare:toppmoderna scannings- och överföringsenheter kan nu till och med avbilda enskilda atomer. Trots att man uppnår denna enormt höga upplösning, att arbeta med en konstant elektronstråle har sina nackdelar. Ultrasnabba reaktioner, såsom brytning av kemiska bindningar eller vibrationer av atomer, kan inte avbildas med denna metod. På grund av detta problem, mikroskop har utvecklats på senare år som använder pulsade elektronstrålar. "Detta kan jämföras med ett stroboskop som fångar testobjektets rörelse med en snabb sekvens av blixtar, " förklarar professor Peter Hommelhoff, Ordförande för laserfysik vid FAU. "Denna princip har nu tillämpats på elektronpulser."

Laserstyrda elektroner

Den särskilda utmaningen här är att generera pulser som är så korta som möjligt - eftersom elektronpaket med kortare längder minskar tidsskalan vid vilken atomrörelser kan avbildas. Genom att använda en laser för att manipulera en ström av elektroner, de har lyckats producera elektronpaket med en längd på 1,3 femtosekunder — en femtosekund motsvarar en miljondels en miljarddels sekund. För att uppnå detta, fysikerna var tvungna att rikta en elektronstråle över ytan av ett kiselgitter, där de överlagrade det optiska fältet från laserpulser på det i två sektioner. Dr Martin Kozák, en medlem av Hommelhoffs team och huvudförfattare till studien, förklarar:"Vi använder lasern för att kontrollera det periodiska fältets frekvens och synkronisera det med elektronernas hastighet. Detta gör att elektronerna kan få eller förlora energi, och vi kan generera ultrakorta paket från en kontinuerlig stråle."

Pulser i attosekundens intervall möjliga

Förutom denna kontrollerade acceleration och retardation, FAU-fysikerna har lyckats avleda elektronerna i sidled från ett vinklat kiselgitter med hjälp av laserpulser. Elektronerna avböjs i den ena eller andra riktningen, beroende på exakt när de interagerar med laserfältet. Denna detekteringsmetod används också i streakkameror, som redan har uppnått upplösningar i femtosekundintervallet. Metoden som utvecklats i Erlangen kommer faktiskt att uppnå tidsmässiga upplösningar i intervallet attosekunder eller en miljarddels miljarddels sekund. En applikation där streak-kameror används är att observera ljusets utbredning.