Hologramme manipulieren Elektronenstrahlen und eröffnen neuen Blick auf magnetische Materialien

Wirbelnde Elektronen

Antwerpen (Belgien) - Wenn Lichtwellen ins Trudeln geraten, können sie als fokussierte Photonenwirbel winzige Objekte wie eine optische Pinzette greifen. Nun schafften es östereichische und belgische Physiker, gezielt Wirbel aus Elektronen zu erzeugen. Wie sie in der Zeitschrift "Nature" berichten, können damit selbst einfache Elektronenmikroskope magnetische Eigenschaften mit atomarer Auflösung erkennen. In Zukunft sollen die Elektronenwirbel sogar als winzige Nano-Pinzette dienen, um einzelne Atome greifen zu können.

"Holographische Strahlen aus schnellen Elektronen sollten viele neue Möglichkeiten in der Grundlagenforschung und in der angewandten Physik bieten", schreiben Jo Verbeeck von der Universität Antwerpen und seine Kollegen von der Technischen Universität Wien. Für ihr Experiment griffen sie zu einem konventionellen Elektronenmikroskop und beschleunigten die Elektronen mit Hochspannungen von 300.000 Volt. Diese geladenen Teilchen breiteten sich erst in einer flachen Ebene aus und trafen auf eine hauchdünne Platinfolie, in die Forscher winzige Schlitze geschnitten hatten.

Diese Platinmaske veränderte die Bewegung der Elektronen wie ein Hologramm und verformte die vorher flache Ausbreitungsebene zu spiralförmigen Wirbeln. Mit den Elektronenwirbeln untersuchten Verbeeck und Kollegen eine Probe aus magnetisiertem Eisen. Beim Aufprall veränderte sich die Energie der Elektronen, woraus die Forscher auf die magnetischen Zustände der Probe zurück schließen konnten. Prinzipiell halten sie es für möglich, die magnetischen Eigenschaften bis auf das einzelne Atom genau bestimmen zu können.

Mit den Elektronenwirbeln lockt ein zugleich leistungsfähiges wie günstiges Werkzeug für Nanoforscher. Neben der Untersuchung magnetischer Zustände könnten die wirbelnden Elektronen zur einer empfindlichen Nano-Pinzette für Atome oder zu einer neuen Methode für die exakte Manipulation von Nanostrukturen führen. Für beide Anwendungen müssen die Wissenschaftler bisher auf die teureren Rasterkraftmikroskope zurückgreifen.