Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Lichtwellengesteuerter Nanobeschleuniger eröffnet neue Perspektiven

30.10.2017

Extrem kurze Elektronenpakete gelten als Schlüssel zu vielfältigen neuen Anwendungen wie ultraschnelle Elektronenmikroskopie und Freie-Elektronen Laser im Labormaßstab. Ein Team von Physikern der Universität Rostock, dem Max-Born-Institut in Berlin, der Ludwig-Maximilians-Universität München und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching hat jetzt gezeigt, wie Elektronen mit Hilfe von Laserlicht beim Durchqueren von nur wenige Nanometer großen Silberpartikeln extrem stark und kontrolliert beschleunigt werden können.

Besonders entscheidend für mögliche Anwendungen ist dabei, dass die beobachtete Beschleunigung in Form eines aus der Raumfahrt bekannten swing-by-Manövers im Nanometermaßstab mit der Wellenform des Laserfelds gesteuert werden kann. Dies könnte eine rein optisch kontrollierte Erzeugung von Elektronenpulsen auf der Attosekunden-Zeitskala ermöglichen.


Das gezielt geformte Laserlicht erzeugt ein plasmonisch verstärktes Nahfeld, das die Vorwärtsbeschleunigung von Elektronen in den nur wenige Nanometer großen Metallclustern antreibt.


Prof. Thomas Fennel von der Universität Rostock und dem Max-Born-Institut Berlin

Setzt man Metallcluster, also winzige metallische Nanopartikel aus nur wenigen tausend Atomen, intensivem Laserlicht aus, so werden die in dem Teilchen beweglichen Elektronen zu einer kollektiven Schaukelbewegung angeregt.

Bei der Verwendung einer geeigneten Lichtfarbe ist eine resonante Anregung möglich, die zu einem extremen Aufschaukeln der Elektronenwolke führt und damit ein vielfach verstärktes elektrisches Feld in dem Teilchencluster hervorruft. In dem am Institut für Physik in Rostock durchgeführten Experiment hat das Team um Prof. Thomas Fennel dieses plasmonisch verstärkte Nahfeld nun gezielt genutzt.

Mit sogenannten Zweifarben-Laserpulsen modifizierten die Wissenschaftler über die Phasenlage des Lichtfeldes die plasmonischen Felder so, dass Elektronen beim Durchfliegen des Nanopartikels innerhalb von nur einer optischen Schwingung durch einen Schleudereffekt kontrolliert beschleunigt werden können. Die experimentell beobachteten und durch ein theoretisches Modell im Detail erklärten Befunde der Wissenschaftler wurden jetzt in dem Journal Nature Communications veröffentlicht.

Zum ersten Mal ist es damit gelungen, elektronische Prozesse in Clustern mit Hilfe der Wellenform des Laserlichtes zu kontrollieren. Sowohl für die Experimente als auch für die Theorie stellen die nur wenige Nanometer großen Cluster ideale Modellsysteme für die Erforschung neuer physikalischer Effekte in der Licht-Materie-Wechselwirkung von Nanostrukturen dar.

„In unserem Experiment konnten wir zeigen, dass die Elektronen in dem Nanobeschleuniger innerhalb einer optischen Periode Energiemengen von bis zu einem Kiloelektronenvolt aufnehmen können, was im Vergleich zur Starkfeldionisation von Atomen einer Steigerung um mehr als eine Größenordnung entspricht“, erläutert Dr. Josef Tiggesbäumker vom Institut für Physik in Rostock, der zusammen mit Erstautor Dr. Johannes Passig und dem Team um Clusterphysiker Prof. Karl-Heinz Meiwes-Broer die Versuchsapparatur für die Experimente entwickelte.

„Die Beschleunigung der Elektronen mittels nahfeld-assistierter Vorwärtsstreuung kann über die Lichtwellenform mit Attosekunden-Präzision (1 Attosekunde = 1 Milliardstel einer Millardstel Sekunde) geschaltet werden.“, erklärt Prof. Matthias Kling von der Ludwig-Maximilians-Universität und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching, der die Technologie zur Erzeugung der phasenkontrollierten Pulse zur Verfügung gestellt hat.

„Die Steuerung einzig und allein über das zur Beschleunigung verwendete Laserlicht eröffnet völlig neue Wege im Umfeld der aktuell intensiv erforschten lichtbasierten Teilchenbeschleunigung“, resümiert Heisenberg Stipendiat Fennel, der derzeit an der Universität Rostock und dem Max-Born-Institut Berlin forscht und die Idee für das Experiment entwickelt hat. Die Forscher planen nun, das Beschleunigungsprinzip in Folgestudien in einem mehrstufigen Szenario zu realisieren, um so den möglichen Einsatz in lasergetriebenen Gitterbeschleunigern zu erforschen.

Originalpublikation:
Johannes Passig, Sergey Zherebtsov, Robert Irsig, Mathias Arbeiter, Christian Peltz, Sebastian Göde,Slawomir Skruszewicz, Karl-Heinz Meiwes-Broer, Josef Tiggesbäumker, Matthias F. Kling, Thomas Fennel
Nanoplasmonic electron acceleration by attosecond-controlled forward rescattering in silver clusters
Nature Communications 8, 1181 (2017), DOI: 10.1038/s41467-017-01286-w
http://dx.doi.org/10.1038/s41467-017-01286-w

Kontakt:
Prof. Dr. Thomas Fennel
Theoretische Clusterphysik und Nanophotonik
Institut für Physik, Universität Rostock
Albert-Einstein-Str. 23, 18059 Rostock, Germany
Tel.: +49-381-498 6815, E-Mail: thomas.fennel@uni-rostock.de
Max-Born Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie
Max-Born-Straße 2, 12489 Berlin
Tel.: +49-030-6392 1245, E-Mail: fennel@mbi-berlin.de

Prof. Dr. Matthias Kling
Ultraschnelle Nanophotonik, Labor für Attosekundenphysik
Department für Physik, Ludwig-Maximilians-Universität München &
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Str. 1, 85748 Garching, Germany
Tel.: +49-89-32905-234, E-Mail: matthias.kling@physik.uni-munechen.de

PD. Dr. Josef Tiggesbäumker
Cluster und Nanostrukturen
Universität Rostock, Institut für Physik
Albert-Einstein-Str. 23, 18059 Rostock, Germany
Tel.: +49 381 498-6805, E-Mail: josef.tiggesbäumker@uni-rostock.de

Ingrid Rieck | Universität Rostock
Weitere Informationen:
http://www.uni-rostock.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Graphen auf dem Weg zur Supraleitung
12.11.2018 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Datensicherheit: Aufbruch in die Quantentechnologie
09.11.2018 | 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: Graphen auf dem Weg zur Supraleitung

Doppelschichten aus Graphen haben eine Eigenschaft, die ihnen erlauben könnte, Strom völlig widerstandslos zu leiten. Dies zeigt nun eine Arbeit an BESSY II. Ein Team hat dafür die Bandstruktur dieser Proben mit extrem hoher Präzision ausgemessen und an einer überraschenden Stelle einen flachen Bereich entdeckt. Möglich wurde dies durch die extrem hohe Auflösung des ARPES-Instruments an BESSY II.

Aus reinem Kohlenstoff bestehen so unterschiedliche Materialien wie Diamant, Graphit oder Graphen. In Graphen bilden die Kohlenstoffatome ein zweidimensionales...

Im Focus: Datensicherheit: Aufbruch in die Quantentechnologie

Den Datenverkehr noch schneller und abhörsicher machen: Darauf zielt ein neues Verbundprojekt ab, an dem Physiker der Uni Würzburg beteiligt sind. Das Bundesforschungsministerium fördert das Projekt mit 14,8 Millionen Euro.

Je stärker die Digitalisierung voranschreitet, umso mehr gewinnen Datensicherheit und sichere Kommunikation an Bedeutung. Für diese Ziele ist die...

Im Focus: A Leap Into Quantum Technology

Faster and secure data communication: This is the goal of a new joint project involving physicists from the University of Würzburg. The German Federal Ministry of Education and Research funds the project with 14.8 million euro.

In our digital world data security and secure communication are becoming more and more important. Quantum communication is a promising approach to achieve...

Im Focus: Research icebreaker Polarstern begins the Antarctic season

What does it look like below the ice shelf of the calved massive iceberg A68?

On Saturday, 10 November 2018, the research icebreaker Polarstern will leave its homeport of Bremerhaven, bound for Cape Town, South Africa.

Im Focus: Forschungsschiff Polarstern startet Antarktissaison

Wie sieht es unter dem Schelfeis des abgebrochenen Riesen-Eisbergs A68 aus?

Am Samstag, den 10. November 2018 verlässt das Forschungsschiff Polarstern seinen Heimathafen Bremerhaven Richtung Kapstadt, Südafrika.

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Wer rechnet schneller? Algorithmen und ihre gesellschaftliche Überwachung

12.11.2018 | Veranstaltungen

Profilierte Ausblicke auf die Mobilität von morgen

12.11.2018 | Veranstaltungen

Mehrwegbecher-System für Darmstadt: Prototyp-Präsentation am Freitag, 16. November, 11 Uhr

09.11.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Ein magnetisches Gedächtnis für den Computer

12.11.2018 | Energie und Elektrotechnik

Autonomes Parken wird erprobt

12.11.2018 | Informationstechnologie

Multicopter und Satelliten für den Rettungseinsatz

12.11.2018 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics