Elektromagnetische Felder sichtbar machen

Physiker in München haben ein Elektronenmikroskop entwickelt, mit dem sie oszillierende elektromagnetische Felder sichtbar machen – pro Sekunde Billionen Mal. Die Technik ermöglicht es, selbst kleinste und schnellste elektromagnetische Felder exakt zu detektieren. Das hilft den Forschern besser zu verstehen, wie bspw. Transistoren oder optische Schalter arbeiten.

Entwickelt wurde das Gerät von Attosekundenphysikern der Arbeitsgruppe „Ultrafast Electron Imaging“ der LMU und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ). Das Elektronenmikroskop wird mit ultrakurzen Laserpulsen von wenigen Femtosekunden (ein Millionstel einer milliardstel Sekunde) Dauer betrieben. Diese Laserpulse erzeugen Elektronenpulse, die nur aus einzelnen Elektronen bestehen. Sie werden durch das Einwirken von Terahertz-Strahlung weiter verkürzt. Mit dieser schon vorab entwickelten Technologie können Elektronenpulse erzeugt werden, die kürzer sind als eine halbe Schwingung einer Lichtwelle.

Mit den ultrakurzen Elektronenpulsen können die Wissenschaftler elektromagnetische Felder sichtbar machen. Im Experiment ließen sie die Elektronenpulse auf eine Mikroantenne treffen, die zuvor durch Terahertz-Strahlung angeregt wurde. Dadurch entstanden in ihrem Umkreis optische Effekte, elektromagnetische Felder. Gleichzeitig durchdrangen die kurzen Elektronenpulse die Antenne. An den elektromagnetischen Feldern wurden die Elektronenpulse gestreut und deren Ablenkung aufgezeichnet. Das zeigte den Forschern die räumliche Verteilung, die zeitliche Variation, die Richtung und die Polarisation des Lichts, das die Mikroantenne aussendete.

Die elektromagnetischen Lichtfelder können unter zwei Voraussetzungen visualisiert werden: Die Elektronenpulse müssen kürzer sein als ein Lichtzyklus. Und die Durchgangszeit durch die zu untersuchende Struktur muss kürzer sein als ein Lichtzyklus. Die Elektronenpulse fliegen ungefähr mit halber Lichtgeschwindigkeit.

Die neue Technologie ist auch interessant für die Entwicklung und Analyse von Metamaterialien – künstliche Nanostrukturen, die neue Wege in der Optik und Optoelektronik ermöglichen. Sie könnten zu wichtigen Bausteinen für lichtgetriebene Schaltkreise und Rechner der Zukunft werden.