Technologieforum

LAES-Prozess in supraflüssigem Helium

Laserlicht für ultraschnelle Elektronen­mikroskopie

Erstmals ist es gelungen, die Aufnahme von Energie aus Laserlicht durch freie Elektronen in einer Flüssigkeit zu beobachten. Bisher war dies nur in der Gasphase möglich. Die Erkenntnisse eröffnen der ultraschnellen Elektronenmikroskopie neue Türen.

Die räumliche Auflösung für Untersuchungen im (sub-)atomaren Bereich ist mit elektronenmikroskopischen Methoden erreichbar. Schwierig ist es aber mit der Geschwindigkeit: Die schnellsten Prozesse in Festkörpern dauern nur wenige Femtosekunden. Dafür ist die Zeitauflösung herkömmlicher Elektronenmikroskope zu gering. Um die Zeitdauer der Elektronenpulse zu verbessern, müssten – in Analogie zum Kameraverschluss, der die Belichtungsdauer beim Fotografieren steuert – Elektronen innerhalb eines kürzeren Zeitfensters selektiert werden.

Laserpuls verbessert Zeitauflösung

Diese zeitliche Selektion ist prinzipiell mit extrem kurzen Laserpulsen möglich. Das Verfahren nennt sich Laser-Assisted Electron Scattering (Laserunterstützte Elektronenstreuung, LAES). Elektronen nehmen dabei während eines Stoßes mit Atomen der Materialprobe aus dem eingestrahlten Lichtfeld Energie auf und erreichen ein höheres Energieniveau. Diese Elektronen können dem extrem kurzen Zeitfenster des Laserpulses zugeordnet werden. Die Strukturinformationen liefern alle Elektronen aus dem langen Elektronenpuls, aber die selektive Detektion in einem kurzen Zeitfenster erfolgt mittels jener Elektronen mit höherem Energieniveau. Die Zeitauflösung ist damit deutlich verbessert. Bisher wurden LAES-Prozesse jedoch, obwohl seit rund 50 Jahren untersucht, nur in der Gasphase beobachtet.

Markus Koch, Professor am Institut für Experimentalphysik der TU Graz, und sein Team haben nun in Zusammenarbeit mit Forschenden des Instituts für Photonik der TU Wien und dem Institut für Chemie der Tokyo Metropolitan University erstmals demonstriert, dass die laserunterstützte Elektronenstreuung auch in kondensierter Materie, konkret in supraflüssigem Helium, beobachtet werden kann.

Vom supraflüssigen Helium zum Festkörper

Die TU Graz-Forschenden führten das Experiment in einem supraflüssigen Heliumtröpfchen mit nur wenigen Nanometern Durchmesser (3 bis 30 nm) durch, in das sie einzelne Atome (Indium oder Xenon) oder Moleküle (Aceton) einbrachten, die als Elektronenquelle dienten.

Die Interpretation der Experimente gelang in Kooperation mit Markus Kitzler-Zeiler, einem Experten für Starkfeldprozesse der TU Wien. Zur Validierung des LAES-Effekts wurden die Wechselwirkungen vom Simulationsexperten der Tokyo Metropolitan University Reika Kanya unter den gleichen Bedingungen wie im Experiment simuliert.

In Zukunft soll der LAES-Prozess an dünnen Schichten verschiedener Materialien, die ebenfalls in Heliumtröpfchen hergestellt werden können, untersucht werden und damit auch einen Einsatz in einem Elektronenmikroskop.

Originalveröffentlichung:

[Treiber, L., Thaler, B., Heim, P. et al., Observation of laser-assisted electron scattering in superfluid helium. Nat Commun 12, 4204 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-24479-w]

Quelle und Bild: www.tugraz.at