Kombination aus Rasterelektronen- und Dunkelfeldmikroskop zur Untersuchung von Elektronen-Licht-Wechselwirkungen

• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung in 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 447330010

Unsere Gruppe befasst sich mit der Charakterisierung nanooptischer Systeme sowie Wechselwirkungsprozessen zwischen freien Elektronen und Licht unter extremen Bedingungen. Uns interessiert, welche Arten von Nanosystemen zur Verstärkung von Elektronen-Licht-Wechselwirkungen realisiert werden können, die (i) zur Erzeugung von kohärentem Licht in Wechselwirkung mit Elektronenstrahlen, (ii) zur nahezu deterministischen Einzelphotonenerzeugung und (iii) für dynamische Elektronenoptik genutzt werden können. Des Weiteren wollen wir Systeme entwerfen, die in Kombination mit Laseranregungen zu quanten-kohärenten elastischen und unelastischen Übergängen in Wellenpaketen mit freien Elektronen führen. Im Rahmen dieses Konzeptes sind wir insbesondere daran interessiert, im relevanten Parameterraum (bestimmt durch z.B. Laserintensität, Polarisation und Einfallswinkel, Elektronengeschwindigkeit) nach Regionen zu suchen, in denen die Wechselwirkungen nicht mehr adiabatisch beschrieben werden können. In diesem Bereich erwarten wir eine Vielzahl neuer physikalischer Phänomene. Beispielsweise können durch Erzeugung eines elektronischen Nicht-Gleichgewichtszustandes aufgrund von Zwei-Photonen-Prozessen quantenkohärente Interferenzen auftreten, die eine Impulserhaltung auch für Ein-Photonen-Prozesse gewährleisten, während unter normalen Bedingungen Einzelphotonen-Wechselwirkungen verboten sind. Darüber hinaus können quantenkohärente Pfade, die zu solchen Wechselwirkungen führen, interferieren und damit die Beobachtung exotischer Beugungsmuster ermöglichen.Insbesondere wollen wir Nano- und Mikrostrukturen entwickeln, die in der Wechselwirkung mit Elektronenstrahlen als kohärente Lichtquellen in Elektronenmikroskopen eingesetzt werden können. Die Implementierung solcher Systeme kann zur korrelativen Elektronenlichtmikroskopie und -spektroskopie genutzt werden. Zu diesem Zweck wollen wir exzitonisch-plasmonische Hybridsysteme nutzen, mit denen durch starke Wechselwirkung von Plasmonen und Exzitonen sowohl kohärente Polarisationen als auch starke Elektronen-induzierte Strahlung erzeugt werden kann. Schließlich ist vorgesehen, Systeme zur Untersuchung der Wechselwirkungen von langsamen Elektronenwellenpaketen mit kinetischen Energien im Bereich von 200 eV bis unter 10 keV mit Licht sowie mit Nanostrukturen zu realisieren. Die Wechselwirkung von langsamen Elektronen mit Licht ist im Vergleich zu relativistischen Elektronen stärker. Damit können auch nicht-adiabatische Wechselwirkungsprozesse leichter ausgelöst werden. Im Rahmen dieses Projekts werden ultrakurze Laserpulse zur Anregung einer Feldemissionselektronenquelle und der Erzeugung von Einzelelektronenwellenpaketen verwendet. Die Wechselwirkung von Elektronenwellenpaketen mit Licht in einer Mikroskopiekammer wird mit kommerziellen und selbst entwickelten Transmissionselektronendetektoren untersucht.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Kombination aus Rasterelektronen- und Dunkelfeldmikroskop zur Untersuchung von Elektronen-Licht-Wechselwirkungen
• Gerätegruppe: 5120 Rasterelektronenmikroskope (REM)
• Antragstellende Institution: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
• Leiterin: Professorin Nahid Talebi, Ph.D.