Rotierende Elektronenstrahlen

Mithilfe von Fördermitteln der EU konnte eine Forschergruppe eine Methode zur Erzeugung rotierender Elektronenstrahlen entwickeln. Die in der Zeitschrift Nature beschriebene Technik könnte verwendet werden, um die magnetischen Eigenschaften der Materie zu untersuchen. Auch kön...

Mithilfe von Fördermitteln der EU konnte eine Forschergruppe eine Methode zur Erzeugung rotierender Elektronenstrahlen entwickeln. Die in der Zeitschrift Nature beschriebene Technik könnte verwendet werden, um die magnetischen Eigenschaften der Materie zu untersuchen. Auch könnte man damit sogar winzigste Bauteile gezielt manipulieren und in Rotation versetzen.

Die EU unterstützte die Arbeit durch das 10 Mio. EUR ausgestattete Projekt ESTEEM ("Distributed European infrastructure of advanced electron microscopy for nanoscience"), das 8,7 Mio. EUR aus dem Bereich "Forschungsinfrastrukturen" des Sechsten Rahmenprogramms (RP6) erhalten hatte.

Schon seit vielen Jahren benutzt man Elektronenstrahlen zur Untersuchung von Materie - Transmissions-Elektronen-Mikroskope (TEM) sind heutzutage tagtäglich und weltweit im Einsatz. Allerdings liefert ein normaler Elektronenstrahl den Forschern keine Informationen über die magnetischen Eigenschaften eines Objekts. Dafür werden Vortex-Strahlen aus Elektronen benötigt, die auf ähnliche Weise wie der Luftstrom in einem Tornado rotieren.

Vortex-Lichtstrahlen gibt es bereits seit einiger Zeit, sie werden etwa für Mikromotoren und "optische Pinzette" verwendet und ermöglichen den Wissenschaftler, winzig kleine Teilchen zu manipulieren. Mithilfe von Vortex-Strahlen aus Elektronen könnten Wissenschaftler Nanopartikel handhaben, allerdings hat sich die Erzeugung eines solchen Vortex-Strahls als ziemlich schwierig erwiesen.

Anfang dieses Jahres gelang es einem Team aus Japan, einen Elektronenstrahl mit Drehung zu erzeugen. Bei ihrer Methode stellten sie Graphitbleche her und suchten dann nach einer Stelle, wo zwei oder mehr Schichten so ausgerichtet waren, dass eine spiralförmige Struktur entstand. Diese Spiralstruktur konnte einen sie durchlaufenden Elektronenstrahl in Drehung versetzen. Theoretisch könnte eine ähnliche Struktur künstlich hergestellt werden, aber in der Praxis ist dies äußerst schwierig, da sie im Nanometerbereich bearbeitet werden müsste.

Für diese jüngste Studie verfolgten Wissenschaftler von der Universität Antwerpen in Belgien und der Technischen Universität Wien in Österreich einen anderen Ansatz für das Problem. Die Forscher erzeugten eine "Gittermaske" in einem 100 Nanometer dicken Platinblech. Die Maske bestand aus transparenten und undurchsichtigen Bereichen, welche die Elektronen entweder durchließen oder blockierten. Wenn ein Elektronenstrahl auf die Maske trifft, wird er gebeugt, genau wie ein Lichtstrahl gebrochen wird, wenn er durch ein feines Netz gelenkt wird. Die Form der Gitter wurde sorgfältig entworfen, um gewöhnliche Elektronenstrahlen in Vortex-Strahlen umzuwandeln. Entscheidend dabei ist, dass dieses Netz durch seine Abmessungen im Mikrometer- statt im Nanometerbereich relativ einfach herzustellen ist.

"Diese Technik ist eine reproduzierbare Methode zur Erzeugung von Vortex-Strahlen aus Elektronen in einem herkömmlichen Elektronenmikroskop", schreiben die Forscher. "Wir konnten zeigen, wie man sie bei der Elektronenenergieverlustspektroskopie verwendet kann, um den magnetischen Zustand von Objekten zu messen und deren Eigenschaften zu beschreiben. Unsere Ergebnisse zeigen vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten für die auf diese Weise leicht erzeugbaren Vortex-Strahlen aus Elektronen auf, insbesondere für die Analyse und Manipulation von Nanomaterialien."

Einer der Autoren des Artikels ist Professor Peter Schattschneider von der Technischen Universität Wien. "Man könnte mit diesen Elektronenstrahlen gezielt winzige Räder eines mikroskopisch kleinen Motors in Drehung versetzen", betont er. "Auch das Magnetfeld der kreisenden Elektronen könnte auf winzigsten Längenskalen eingesetzt werden." Letztendlich wird es vielleicht möglich sein, diese Technologie in der Datenübertragung (Quantenkryptographie) und bei Quantencomputern einzusetzen.

Länder

Österreich, Belgien