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Elektronenoptik: Graphitwendeltreppe prägt zirkular polarisierte Elektronen

Zirkular polarisierte Welle
Wie Photonen lassen sich auch Elektronen als Welle und Teilchen beschreiben – und wie Lichtwellen können die Materiewellen von Elektronen daher ebenfalls polarisiert werden. Im Bereich der optischen Wellen gelingt dies etwa durch geeignete Polarisationsfilter: Sie erzeugen linear polarisiertes Licht, bei dem der Lichtvektor – der Vektor der elektrischen Feldstärke, der senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts in der Polarisationsebene steht – nur noch in eine bestimmte Richtung schwingt, anstatt, wie bei nicht polarisiertem Licht, seine Richtung ständig zu wechseln.

Zirkular polarisierte Welle | Polarisierte (Licht-)Wellen zeichnen sich durch einen bestimmten Schwingungszustand aus: Der Lichtvektor, also der Vektor der elektrischen Feldstärke, bewegt sich nur in einer bestimmten Richtung in der zur Ausbreitungsrichtung senkrechten Ebene beschreibt. In natürlichem Licht gibt es keine bevorzugte Richtung für E, vielmehr finden schnelle, zufällige Richtungsänderungen statt (links, die blaue Fläche ist die Polarisationsebene, die Speichen denkbare Vektoren E). Man bezeichnet natürliches Licht daher als unpolarisiert. Bei zirkular polarisiertem Licht (rechts) beschreibt der Endpunkt von E eine Kreisbewegung: Je nachdem, ob diese Bewegung (betrachtet von einem Beobachter, auf den die Welle zuläuft) im Uhrzeigersinn oder entgegengesetzt erfolgt, spricht man von rechts oder links zirkularer Polarisation.
Auch Elektronen beziehungsweise deren Spins können linear polarisiert werden: Ihre Schwingungsebene bewegen sich dann nur noch entlang einer bestimmten Richtung. Schwerer realisierbar ist aber ein zirkular polarisiertes Elektron, bei dem, wie bei zirkular polarisiertem Licht, der Vektor in seiner Polarisationsebene um die Bewegungsrichtung des Elektrons kreist. Einen derart korkenzieherförmig kreisenden Vektor konnten Forscher aus Japan nun aber Elektronen mit einem besonderen Versuchsaufbau aufzwingen.

Masaya Uchida und Akira Tonomura vom RIKEN Institut in Japan haben zu diesem Zweck im Inneren speziell ausgestaltete Nanostrukturen gefertigt, durch die sie einen Elektronenstrahl geleitet haben. War der Kanal durch die Struktur dabei so ausgestaltet, dass er genau einer Umdrehung der gewünschten Korkenzieherdrehung des Elektrons entsprach, so entwich ihm nach dem Durchtritt ein zirkular polarisiertes Elektron, berichten die Forscher. Sie bestätigten den Erfolg der Methode, indem sie den austretenden Strahl mit einem zweiten interferieren ließen.

Um die Struktur exakt und ausreichend kleindimensioniert fertigen zu können, hatten die Forscher extrem dünne, stufenartig wie in einer Wendeltreppe gestapelte Graphit-Bruchstücke auf einem kohlenstoffbedeckten Kupfergerüst montiert. Die Ausdehnung der Wendelspirale musste sich dabei im Bereich der Wellenlänge der in die Öffnung beschleunigten Elektronen bewegen, weil sonst kein Durchtritt möglich ist und die Prägung der Polarisation durch den Kanal auf das Elektron nicht erfolgen kann.

Die Forscher hoffen, mit ihre Technik einige Methoden verbessern zu können, die auf der Grundlage von Elektronenstrahlen arbeiten. So zum Beispiel bei der Elektronenmikroskopie: Hier werden statt Licht Elektronen zur Vergrößerung und Abbildung der Mikroobjekte eingesetzt, da die Auflösung eines Mikroskops umgekehrt proportional von der Wellenlänge des eingesetzten Abtaststrahls abhängt – und anders als Photonen lassen sich Elektronen durch hohe Spannungen auf viel kleinere Wellenlängen bringen. Im von Uchida und Tonomura avisierten Elektronenmikroskop der Zukunft könnten zirkular polarisierte Elektronen für ein noch kontrastreicheres Bild sorgen. (jo)

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  • Quellen
Uchida, M. , Tonomura, A.: Generation of electron beams carrying orbital angular momentum. In: Nature 464, S. 737–739, 2010.

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