Fysiker vid Laboratory for Attosecond Physics (som drivs gemensamt av LMU München och Max Planck Institute for Quantum Optics) har utvecklat ett attosecond-elektronmikroskop som låter dem visualisera spridningen av ljus i tid och rum, och observera elektronernas rörelser i atomer.

Den mest grundläggande av alla fysiska interaktioner i naturen är den mellan ljus och materia. Denna interaktion äger rum på attosekunder (dvs. miljarddels miljarddels sekund). Vad som exakt händer på så häpnadsväckande kort tid har hittills förblivit i stort sett otillgängligt. Nu är en forskargrupp ledd av Dr. Peter Baum och Dr. Yuya Morimoto vid Laboratory for Attosecond Physics (LAP), ett samarbetsprojekt mellan LMU München och Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ), har utvecklat ett nytt sätt för elektronmikroskopi, som gör det möjligt för en att observera denna grundläggande interaktion i realtid och verkligt rum.

För att visualisera fenomen som inträffar på attosekundskalan, som växelverkan mellan ljus och atomer, man behöver en metod som håller jämna steg med de ultrasnabba processerna med en rumslig upplösning på atomär skala. För att uppfylla dessa krav, Baum och Morimoto använder sig av det faktum att elektroner, som elementarpartiklar, besitter också vågliknande egenskaper och kan bete sig som så kallade vågpaket. Forskarna riktar en elektronstråle mot en tunn, dielektrisk folie, där elektronvågen moduleras genom bestrålning med en ortogonalt orienterad laser. Interaktionen med det oscillerande optiska fältet accelererar och bromsar omväxlande elektronerna, vilket leder till bildandet av ett tåg av attosekundpulser. Dessa vågpaket består av cirka 100 individuella pulser, som var och en varar i cirka 800 attosekunder.

För mikroskopi, dessa elektronpulståg har en stor fördel jämfört med sekvenser av optiska attosekundspulser:de har en mycket kortare våglängd. De kan därför användas för att observera partiklar med dimensioner mindre än 1 nanometer, såsom atomer. Dessa funktioner gör ultrakorta elektronpulståg till ett idealiskt verktyg för att övervaka, i realtid, de ultrasnabba processer som initieras av ljussvängningars inverkan på materia.

I deras två första experimentella tester av den nya metoden, forskarna från München vände sina attosecond-pulståg på en kiselkristall, och kunde observera hur ljuscyklerna fortplantar sig och hur elektronvågspaketen bryts, diffrakterad och spridd i rum och tid. I framtiden, detta koncept kommer att tillåta dem att direkt mäta hur elektronerna i kristallen beter sig som svar på ljusets cykler, den primära effekten av varje ljus-materia-interaktion. Med andra ord, proceduren uppnår subatomär och sub-ljuscykelupplösning, och fysikerna på LAP kan nu övervaka dessa grundläggande interaktioner i realtid.

Deras nästa mål är att generera enstaka attosekundselektronvågspaket, för att följa vad som händer under subatomära interaktioner med ännu högre precision. Den nya metoden skulle kunna användas i utvecklingen av metamaterial. Metamaterial är konstgjorda, d.v.s. konstruerade nanostrukturer, vars elektriska permittivitet och magnetiska permeabilitet avviker avsevärt från konventionella material. Detta ger i sin tur upphov till unika optiska fenomen, som öppnar nya perspektiv inom optik och optoelektronik. Verkligen, metamaterial kan mycket väl fungera som grundläggande komponenter i framtida ljusdrivna datorer.