Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Eine Kamera für unsichtbare Felder

22.07.2016

Physiker vom Labor für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ haben ein Elektronenmikroskop entwickelt, mit dem sie pro Sekunde Billionen Mal oszillierende elektromagnetische Felder sichtbar machen.

Elektromagnetische Felder sind der Motor unserer Elektronik. Sie verändern sich rasend schnell, sind unsichtbar und damit schwer zu fassen. Eine bessere Kenntnis dieser Felder in elektronischen Bauteilen, wie etwa Transistoren, ist allerdings notwendig, bevor die Elektronik der Zukunft Realität werden kann.


Dreidimensionale Darstellung der Veränderung eines elektromagnetischen Lichtfeldes, das sich um eine Mikroantenne gebildet hat. „Fotografiert“ wurde das Lichtfeld mit Elektronenpulsen.

Grafik: Dr. Peter Baum

Einen wichtigen Meilenstein dorthin haben nun die Ultrakurzzeitphysiker vom Labor für Attosekundenphysik (LAP) der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) erreicht. Sie haben ein Elektronenmikroskop gebaut, mit dem sie elektromagnetische Felder sichtbar machen und deren ultraschnelle Veränderungen aufzeichnen können.

Alle elektronischen Geräte des Alltags werden letztendlich von elektromagnetischen Feldern getrieben. Durch sie verschieben sich Elektronen und Ströme in Bauteilen wie etwa in Transistoren. Dort sorgen sie letztendlich für Datenfluss oder Speichervorgänge.

Eine bessere Kenntnis der elektromagnetischen Feldverläufe und ihrer ultraschnellen Veränderungen in elektronischen Bauteilen könnte die Elektronik der Zukunft effizienter gestalten. Ein Elektronenmikroskop zur Analyse elektromagnetischer Felder haben nun Physiker der Arbeitsgruppe „Ultrafast Electron Imaging“ des Labors für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ entwickelt.

Das Elektronenmikroskop wird mit ultrakurzen Laserpulsen von wenigen Femtosekunden Dauer betrieben (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer milliardstel Sekunde). Diese Laserpulse erzeugen wiederum Elektronenpulse, die nur aus einzelnen Elektronen bestehen und durch das Einwirken von Terahertz-Strahlung weiter verkürzt werden. Diese Technologie haben die Münchner Physiker schon vorher entwickelt (Science 22. April 2016, doi: 10.1126/science.aae0003) und sie erlaubt die Erzeugung von Elektronenpulsen, die kürzer als eine halbe Schwingung einer Lichtwelle sind.

Mit diesen ultrakurzen Elektronenpulsen werden nun elektromagnetische Felder sichtbar gemacht. Im Experiment ließen die Physiker die Elektronenpulse auf eine Mikroantenne treffen. Diese Mikroantenne wurde zuvor durch Terahertz-Strahlung angeregt, sodass in ihrem Umkreis optische Effekte, also elektromagnetische Felder, entstanden. Gleichzeitig durchdrangen die kurzen Elektronenpulse die Antenne. An den elektromagnetischen Feldern wurden die Elektronenpulse gestreut und deren Ablenkung aufgezeichnet. Über die Ablenkung der Elektronenpulse erhielten die Forscher Auskunft über die räumliche Verteilung, die zeitliche Variation, die Richtung und die Polarisation des Lichts, das die Mikroantenne aussendete.

„Um solche elektromagnetischen Lichtfelder zu visualisieren, sind zwei Vorrausetzungen wichtig“, erklärt Dr. Peter Baum, der Leiter der Experimente. „Die Elektronenpulse müssen kürzer sein als ein Lichtzyklus. Und zudem muss die Durchgangszeit durch die zu untersuchende Struktur kürzer sein als ein Lichtzyklus.“ Die Elektronenpulse fliegen ungefähr mit halber Lichtgeschwindigkeit.

Mit ihrer erweiterten Elektronenmikroskopie haben die LAP-Physiker nun eine Grundlage geschaffen, selbst kleinste und schnellste elektromagnetische Felder exakt zu detektieren und damit besser zu verstehen, wie etwa Transistoren oder optische Schalter arbeiten und was in ihnen passiert.

Interessant ist die neue Technologie außerdem für die Entwicklung und Analyse von Metamaterialien. Metamaterialien sind künstliche Nanostrukturen, deren Durchlässigkeit für elektrische und magnetische Felder von der in der Natur üblichen grundlegend abweicht, so dass optische Phänomene entstehen, die sich mit herkömmlichen Stoffen niemals realisieren lassen. Metamaterialien eröffnen völlig neue Perspektiven in der Optik und Optoelektronik, und könnten zu wichtigen Bausteinen für lichtgetriebene Schaltkreise und Rechner der Zukunft werden. Mit ihrer Elektronenmikroskopie-Technologie tragen die LAP-Physiker dazu bei, dies alles besser zu verstehen und Realität werden zu lassen. Thorsten Naeser

Originalveröffentlichung:

A. Ryabov and P. Baum
Electron microscopy of electromagnetic waveforms
Science, 22. Juli 2016, Vol. 353 Issue 6297; doi: 10.1126/science.aaf8589

Kontakt:

Dr. Peter Baum
Ludwig-Maximilians-Universität München
Am Coulombwall 1
85748 Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 / 289 -14102
E-Mail: peter.baum@lmu.de
www.ultrafast-electron-imaging.de

Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse-und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 32 905 -213
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Speicherdauer von Qubits für Quantencomputer weiter verbessert
09.12.2016 | Forschungszentrum Jülich

nachricht Elektronenautobahn im Kristall
09.12.2016 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Elektronenautobahn im Kristall

Physiker der Universität Würzburg haben an einer bestimmten Form topologischer Isolatoren eine überraschende Entdeckung gemacht. Die Erklärung für den Effekt findet sich in der Struktur der verwendeten Materialien. Ihre Arbeit haben die Forscher jetzt in Science veröffentlicht.

Sie sind das derzeit „heißeste Eisen“ der Physik, wie die Neue Zürcher Zeitung schreibt: topologische Isolatoren. Ihre Bedeutung wurde erst vor wenigen Wochen...

Im Focus: Electron highway inside crystal

Physicists of the University of Würzburg have made an astonishing discovery in a specific type of topological insulators. The effect is due to the structure of the materials used. The researchers have now published their work in the journal Science.

Topological insulators are currently the hot topic in physics according to the newspaper Neue Zürcher Zeitung. Only a few weeks ago, their importance was...

Im Focus: Rätsel um Mott-Isolatoren gelöst

Universelles Verhalten am Mott-Metall-Isolator-Übergang aufgedeckt

Die Ursache für den 1937 von Sir Nevill Francis Mott vorhergesagten Metall-Isolator-Übergang basiert auf der gegenseitigen Abstoßung der gleichnamig geladenen...

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Firmen- und Forschungsnetzwerk Munitect tagt am IOW

08.12.2016 | Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochgenaue Versuchsstände für dynamisch belastete Komponenten – Workshop zeigt Potenzial auf

09.12.2016 | Seminare Workshops

Ein Nano-Kreisverkehr für Licht

09.12.2016 | Physik Astronomie

Pflanzlicher Wirkstoff lässt Wimpern wachsen

09.12.2016 | Biowissenschaften Chemie