Kontrol af elektroner i tid og rum

I et elektronmikroskop, elektroner udsendes af spidse metalspidser, så de kan styres og kontrolleres med høj præcision. For nylig, sådanne metalspidser er også blevet brugt som højpræcisionselektronkilder til generering af røntgenstråler. Et team af forskere ved TU Wien (Wien), sammen med kolleger fra FAU Erlangen-Nürnberg (Tyskland), har udviklet en metode til at kontrollere elektronemissioner med højere præcision end nogensinde før. Ved hjælp af to laserpulser, det er nu muligt at tænde og slukke elektronstrømmen på ekstremt korte tidsskalaer.

Det er bare nålens spids

"Grundidéen ligner et lyn, "siger Christoph Lemell (TU Wien)." Det elektriske felt omkring en nål er altid stærkest lige ved spidsen. Derfor rammer lynet altid spidsen af ​​en stang, og af samme grund, elektroner efterlader en nål lige ved spidsen. "

Ekstremt spidse nåle kan fremstilles med metoderne fra moderne nanoteknologi. Deres tip er kun et par nanometer bredt, så det punkt, hvor elektronerne udsendes, er kendt med meget høj nøjagtighed. Ud over det, det er også vigtigt at kontrollere på hvilket tidspunkt elektronerne udsendes.

Denne form for tidsstyring er nu blevet mulig ved hjælp af en ny tilgang:"To forskellige laserimpulser affyres mod metalspidsen, "forklarer Florian Libisch (TU Wien). Farverne på disse to lasere vælges således, at fotoner i en laser har præcis det dobbelte af energien fra den anden lasers fotoner. Også, det er vigtigt at sikre, at begge lysbølger svinger i perfekt synkronicitet.

Ved hjælp af computersimuleringer, teamet fra TU Wien var i stand til at forudsige, at en lille tidsforsinkelse mellem de to laserpulser kan tjene som en "switch" for elektronemission. Denne forudsigelse er nu blevet bekræftet af forsøg udført af professor Peter Hommelhoffs forskergruppe ved FAU Erlangen-Nürnberg. Baseret på disse forsøg, det er nu muligt at forstå processen i detaljer.

Absorberende fotoner

Når en laserimpuls affyres mod metalspidsen, dets elektriske felt kan rive elektroner ud af metallet-det er et velkendt fænomen. Den nye idé er, at en kombination af to forskellige lasere kan bruges til at styre elektronernes emission på en femtosekunders tidsskala.

Der er forskellige måder, hvorpå en elektron kan få nok energi til at forlade metalspidsen:Den kan absorbere to fotoner fra højenergilaseren eller fire fotoner fra lavenergilaseren. Begge mekanismer fører til det samme resultat. "Ligesom en partikel i et eksperiment med dobbeltspalte, der kører på to forskellige veje på samme tid, elektronen kan deltage i to forskellige processer på samme tid, " siger professor Joachim Burgdörfer (TU Wien). "Naturen behøver ikke vælge en af ​​de to muligheder – begge er lige virkelige og forstyrrer hinanden."

Ved omhyggeligt at indstille de to lasere, det er muligt at kontrollere, om de to kvantefysiske processer forstærker hinanden, hvilket fører til øget emission af elektroner, eller om de annullerer hinanden, hvilket betyder, at der næsten ikke udsendes nogen elektroner overhovedet. Dette er en enkel og effektiv måde at kontrollere elektronemission på.

Det er ikke bare en ny metode til at udføre eksperimenter med elektroner med høj energi, den nye teknologi skulle åbne døren til kontrolleret røntgengenerering. "Innovative røntgenkilder er allerede ved at blive bygget ved hjælp af arrays af smalle metalspidser som elektronkilder, "siger Lemell." Med vores nye metode, disse nanospidser kunne udløses på den helt rigtige måde, så der produceres sammenhængende røntgenstråling."