Ultraschnelle Transmissions-Elektronenmikroskopie (UTEM)

Die direkte Abbildung mikroskopischer Strukturveränderungen auf kurzen Zeitskalen ist eine besondere wissenschaftliche Herausforderung. Neben ultraschnellen Röntgenverfahren werden in Zukunft insbesondere die zeitaufgelöste Elektronenmikroskopie, Elektronenbeugung und Elektronenspektroskopie völlig neuartige Einblicke in chemische, physikalische und biologische Prozesse ermöglichen. Wir nutzen verschiedene Ansätze, um die Dynamik ultraschneller elektronischer und struktureller Phänomene mit Hilfe kurzer, hochkohärenter Elektronenpulse abzubilden.

Unsere Arbeitsgruppe hat in den vergangenen Jahren ein neues ultraschnelles Transmissionselektronenmikroskop (ultraschnelles TEM bzw. "UTEM") konzipiert und entwickelt. Das Instrument basiert auf einem sogenannten "Pump-Tast"-Verfahren, das zwei zeitlich zueinander verzögerte Laserpulse in die Säule eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) einkoppelt (siehe Abbildung links): Ein erster Laserpuls regt in einer zu untersuchenden Probe einen elektronischen oder strukturellen Übergang an (roter Strahl). In einer speziellen Photokathode erzeugt ein zweiter, verzögerter Laserpuls (blauer Strahl) einen kurzen, intensiven Elektronenpuls (grün), der dann die ausgelöste Dynamik mittels Mikroskopie, Beugung oder Spektroskopie abbildet. Über die Wahl der relativen Pulsverzögerung können der Beobachtungszeitpunkt eingestellt und so die Dynamik verfolgt werden.

Unser ultraschnelles TEM ist deutschlandweit das Erste seiner Art, und es ist das weltweit erste zeitaufgelöste TEM, das die lokalisierte Photoemission an Feldemitter-Spitzen ausnutzt (siehe Abb. unten), um eine besonders hohe Elektronen-Strahlqualität zu erreichen.

Hintergrund zur Entwicklung ultraschneller Elektronenmikroskopie in Göttingen

Die zeitaufgelöste Elektronenmikroskopie mit Laseranregung hat ihre Ursprünge in den Achtzigerjahren in der Gruppe von Prof. O. Bostanjoglo (TU Berlin). Aufgrund der Überwindung technischer Schwierigkeiten und Weiterentwicklungen in der Lasertechnologie konnte die Arbeitsgruppe von Chemie-Nobelpreisträger A. H. Zewail (Caltech) seit etwa 2005 deutliche Fortschritte in der Methodik erzielen. Parallel dazu verliefen Entwicklungen am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) zu einem TEM mit Einzelschuss-Auflösung. Derzeit existieren verschiedene Projekte europa- und weltweit, die sich der Weiterentwicklung und Anwendung zeitaufgelöster Elektronenmikroskopie widmen.

In Göttingen arbeiten wir seit 2010 in Richtung eines ultraschnellen TEMs, ausgehend von unserer Erforschung der Photoemission an Feldemitter-Spitzen. Wir sind davon überzeugt, dass die Fähigkeiten ultraschneller Elektronenmikroskopie durch die Verwendung nanoskaliger Elektronenquellen deutlich anwachsen werden. Auf der Basis dieser Grundidee erhielten wir 2011 die Förderung der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des "Niedersächsischen Vorab" (VolkswagenStiftung) zur Beschaffung eines Transmissions-Elektronenmikroskops und eines Femtosekunden-Lasersystems (Antragsteller: C. Ropers (federführend), C. Jooß, M. Münzenberg, K. Samwer, M. Seibt, C. Volkert). Nach Fertigstellung der für das UTEM geeigneten Laborräume in der Fakultät für Physik wurden die Geräte 2012 und 2013 in Betrieb genommen (TEM: JEOL-2100F; Laser: Coherent-RegA), und wir begannen mit den nötigen Umbauten des Mikroskops.

Seit 2013 wird die Entwicklung des UTEMs im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1073 "Atomic Scale Control of Energy Conversion" von der DFG gefördert (insbesondere das UTEM-Entwicklungsprojekt A05; Projektleiter: C. Ropers und S. Schäfer). Im Jahr 2014 haben wir einen erfolgreichen Pulsbetrieb des Mikroskops realisiert und damit begonnen, zeitaufgelöste Messungen an diversen Probensystemen und in verschiedenen Konfigurationen durchzuführen. Derzeit laufen erste Untersuchungen zur quantenkohärenten Wechselwirkung freier Elektronen mit optischen Nahfeldern, optisch induzierter Magnetisierungsdynamik sowie der Dynamik struktureller und elektronischer Phasenübergänge.

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