Der kürzeste Elektronenpuls dauert nur 53 Attosekunden

Ein rekordverdächtig kurzer Elektronenimpuls wurde in nur 53 Milliardstel Sekunden erzeugt – so schnell, dass Mikroskope Bilder von Elektronen machen könnten, die zwischen Atomen springen

von Matthäus Sparks

Die Forscher brachen den Rekord für den kürzesten Elektronenpuls und erzeugten ein Signal, das nur 53 Attosekunden lang war – oder 53 Milliardstel einer Milliardstel Sekunde. Die Errungenschaft könnte zu genaueren Elektronenmikroskopen führen, die Bilder aufnehmen können, die auf atomarer Ebene scharf und stabil sind, anstatt nur verschwommen zu sein. Es kann auch die Datenübertragung in Computerchips beschleunigen.

Elektronenpulse werden verwendet, um Daten in Computern darzustellen oder Bilder in Elektronenmikroskopen aufzunehmen. Je kürzer die Impulse, desto höher die Informationsübertragungsrate.

Elftherios Goulielmakis von der Universität Rostock in Deutschland und seine Kollegen arbeiteten daran, die Länge solcher Pulse so weit wie möglich zu reduzieren.

Elektronenimpulse, die durch elektrische Felder in gewöhnlichen Schaltkreisen erzeugt werden, sind durch die Frequenz begrenzt, mit der die Elektronen innerhalb des Materials oszillieren können. Goulielmakis sagt, dass der Impuls mindestens einen halben Zyklus dieser Schwingungen dauern muss, weil es dieser Zyklus ist, der einen „Impuls“ für die Elektronen erzeugt.

Das Licht oszilliert mit einer viel höheren Frequenz, also nutzte sein Team einen kurzen Lichtstoß, um einen Elektronenpuls auszulösen.

Im Jahr 2016 erzeugte das Team von Goulielmakis einen Blitz aus sichtbarem Licht, der nur 380 Attosekunden dauerte. Mit der gleichen Technik hat das Team nun Laser fokussiert, um Elektronen von der Spitze einer Wolframnadel in ein Vakuum zu schlagen.

Der 53-Attosekunden-Impuls von Elektronen, den sie entdeckten, war kürzer als der Lichtimpuls, den sie abgaben. Goulielmakis sagt, dass es im Bohr-Modell des Wasserstoffatoms ein Fünftel der Zeit dauerte, die ein Elektron in einem Wasserstoffatom braucht, um seinen Kern zu umkreisen.

Ein kurzer Elektronenimpuls kann es Elektronenmikroskopen ermöglichen, sich auf eine kürzere Zeitscheibe zu fokussieren, z. B. durch Verringern der Verschlusszeit einer Kamera, um Partikelbewegungen klarer zu erkennen.

“Manchmal [in electron microscope images] Sie sehen, die Atome sind nicht sehr begrenzt, sie sind etwas verschwommen. Sie haben nicht unbedingt eine gute Auflösung, weil ein Elektron an einem bestimmten Punkt nicht still sitzt, oder? Es bildet nur eine Wolke um die Atome. Der Attosekundenpuls des Elektrons wird dazu beitragen, dass die Auflösung schnell genug ist, um sich bewegende Elektronen einzufangen.“

„Wenn wir Elektronenmikroskope mit unseren eigenen Elektronenpulsen bauen würden, hätten wir genug Auflösung, um nicht nur die Bewegung der Atome zu sehen, was wirklich aufregend wäre, sondern sogar, wie die Elektronen zwischen diesen Atomen springen“, sagt Goulielmakis.