29/01/2018
Door Ad Spijkers
Ultrasnelle elektronenmicroscopen werken volgens hetzelfde principe als de flitser van een camera. Onderzoekers van de Universität Göttingen is het gelukt elektronenflitsen te vormen en te meten die korter zijn dan een afzonderlijke lichtcyclus.
Als een snel bewegend persoon wordt gefotografeerd, komt hij onscherp op de foto. Dan helpen alleen kortere belichtingstijden of flitsen. Deze verkorten het tijdsinterval waarin veel licht op de camerachip valt zo sterk, dat de persoon in de bewegen bevroren lijkt te zijn. Ultrasnelle elektronenmicroscopen werken volgens hetzelfde principe. Zeer korte elektronenflitsen spelen hier voor flitslamp. Onderzoekers van de Universität Göttingen is het gelukt elektronenflitsen te vormen en te meten die korter zijn dan een afzonderlijke lichtcyclus.
De werkgroep aan het IV. Physikalisches Institut van de universiteit heeft de elektronenstraal door wisselwerking met intensieve lichtvelden in de tijd zodanig gestructureerd, dat deze uit een periodieke opeenvolging van ultrakorte pulsen bestaat. De elektronenflitsen zijn slechts een paar honderd attoseconden lang – een attoseconde is een miljardste van een miljardste seconde. De duur van deze elektronenflitsen bepaalt de resolutie in de tijd, dan wil zeggen: hoe korter de pulsen, des te sneller kunnen processen worden bekeken. Het team onderzoekers heeft in zijn experimenten een elektron met behulp van laserlicht vanuit verschillende snelheden in een kwantummechanische superpositietoestand gebracht. In het verdere verloop van het elektron door de elektronenmicroscoop ontstaat daardoor in de tijd een kam met korte ‘tanden’. U kunt dit vergelijken met een wedstrijd waarbij de langzaamste loper het eerst en de snelste het laatst start, zodat ze allemaal gelijktijdig aankomen.
Het kwantitatieve bewijs van de tijdstructuur in het attoseconden-bereik is gelukt in samenwerking met het Institut für Numerische und Angewandte Mathematik van dezelfde universiteit. Samen ontwikkelden de wetenschappers een methode die de kwantumtoestand van vrije elektronen reconstrueert. De volledige beschrijving van de kwantumtoestand wordt bereikt als zowel de snelheidverdeling als de fase van de elektronen wordt bepaald.
De onderzoekers uit Göttingen brengen hiermee voor het eerst concepten uit de tomografie, zoals we die kennen uit de medische techniek en de quantumfysica van het licht, over op een straal vrije elektronen. Met de in de tijd gestructureerde elektronenpulsen zal het in de toekomst mogelijk zijn niet alleen de beweging van atomen maar ook van de nog veel snellere elektronen in vaste stoffen te onderzoeken. En dat met zowel hoge resolutie in de ruimte als in de tijd.