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News: Laserlicht beugt Elektronen

Siebzig Jahre ist es her, dass Wissenschaftler voraussagten eine stehende Lichtwelle müsste Elektronen beugen, so wie es ein Beugungsgitter mit Licht vorführt. Doch erst jetzt gelang es Forschern, dieses Phänomen zu beobachten, da nun entsprechend leistungsfähige Laser existieren, die ein solches Experiment ermöglichen.
Bereits im Jahr 1933 schlugen die beiden Physiker Peter Kapitza und Paul Dirac in einer gemeinsamen Veröffentlichung vor, dass sich Elektronen an einer stehenden Welle aus Licht beugen lassen müssten [1]. Grundlage dieser Idee war die Entdeckung, dass sich Teilchen wie Elektronen auch als Welle beschreiben lassen. Denn von Licht ist das Phänomen schon sehr lange bekannt: Schickt man einfarbiges Licht durch ein so genanntes Beugungsgitter – eine Maske beispielsweise, deren Streifenabstände etwa im Bereich eines Mikrometers liegen – dann entsteht dahinter ein charakteristisches Hell-Dunkel-Muster.

Dieses Beugungsmuster hängt dabei entscheidend von der Wellenlänge des verwendeten Lichts und von dem Gitterabstand der Maske ab. Der gleiche Effekt lässt sich auch in der Reflexion beobachten, wenn man sich das an einer CD gespiegelte Licht ansieht. Denn hier wird weißes Licht in seine Spektralfarben zerlegt und jede Farbkomponente wird je nach Wellenlänge und Abstand der Spuren auf der CD in etwas unterschiedliche Richtungen reflektiert.

Dass sich auch Elektronen beugen lassen, konnten Clinton Davisson und Lester Germer bereits im Jahr 1926 demonstrieren, indes gelang es bislang nie, Elektronen an Licht zu beugen. Das Problem ist die äußerst schwache Wechselwirkung zwischen Licht und Elektronen. Selbst extrem helle Quecksilber-Bogenlampen liefern nicht genügend Intensität. Schon Kapitza und Dirac mussten feststellen, dass sich durch ein davon erzeugtes Muster gerade mal eines von 1014 Elektronen ablenken ließe.

Mit gepulsten Hochleistungslasern stehen mittlerweile aber ganz andere Lichtquellen zur Verfügung als vor siebzig Jahren, und so versuchten sich Daniel Freimund, Kayvan Aflatooni und Herman Batelaan von University of Nebraska erneut an dem alten Experiment. Mit zwei Lasern, deren Lichtstrahlen gegeneinander gerichtet waren, erzeugten sie eine stehende Welle – eine Interferenzmuster aus dunklen und hellen Bereichen, die sich im Abstand von 266 Nanometern abwechselten. Dieser Bereich, den sie im Folgenden als Gitter für die Elektronen nutzten, war dabei etwa fünf Millimeter lang. Nun richteten die Forscher einen fokussierten Elektronenstrahl auf die Region, und mit einem Detektor untersuchten sie die Elektronenverteilung 24 Zentimeter hinter dem optischen Gitter [2].

Der Versuch war von Erfolg gekrönt. Wie erhofft, zeigte sich das charakteristische Beugungsmuster mit einem zentralen Maximum, flankiert von weiteren schwächeren Nebenmaxima, jeweils 55 Mikrometer voneinander entfernt – ganz so, wie es die Theorie zur Beugung am Gitter erwarten lässt. Zwar wich die Intensität an den Maxima etwas von dem ab, was die Schrödiger-Gleichung vorgibt; sie beschreibt das Verhalten von Teilchen und Wellen. Aber Freimund und seine Kollegen vermuten, dass dies mit kleinen Ungenauigkeiten der überlappenden Laserstrahlen und dem daraus resultierenden Interferenzmuster zusammenhängt.

Mit ihrem Experiment konnten die Wissenschaftler also schließlich einen lang erwarteten Effekt nachweisen. Mehr noch, sie schlagen vor, das Phänomen für ein Elektronen-Interferometer zu nutzen, mit dem sich die Eigenschaften von Materie untersuchen lassen. Hierbei wird ein Elektronenstrahl in zwei Teilstrahlen aufgespalten, wie es beispielsweise durch den vorgestellten Versuchsaufbau geschehen könnte. Ein Strahl passiert dann eine Probe und wird anschließend mit dem zweiten wieder zur Deckung gebracht. Je nach Art und Beschaffenheit der durchstrahlten Materie ergibt sich so ein charakteristisches Signal.

Bertlaan erklärt, dass ein solches Instrument sehr empfindlich wäre, da die Wellenlängen der Elektronen 10 000 Mal kleiner sind als die des sichtbaren Lichts. "Wir können so die winzigen elektromagnetischen Felder von Atomen und Teilchen messen."

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  • Quellen
Physics Web
Nature Physics Portal
[1] Proceedings of the Cambridge Philosophical Society 29: 297–300 (1933)
Nature 413: 117–118 (2001)
[2] Nature 413: 142–143 (2001)

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