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Der Effekt „Flüsternde Galerie“ ermöglicht die Speicherung von Licht und steuert Elektronenstrahlen

Elektronen, Licht und eine transparente Silikakugel

Künstlerische Ansicht einzelner Elektronen, die mit einem optischen Flüstergalerie-Modus interagieren, während er eine Silica-Kugel umkreist. Die Übereinstimmung zwischen den Geschwindigkeiten des Elektrons und der Lichtwelle, auf der es sich befindet, ändert den Quantenzustand des Elektrons, der als breiterer Lichthof dargestellt ist. Bildnachweis: Dr. Murat Sivis

Dem von der Universität Göttingen geleiteten Forschungsteam gelingt es, freie Elektronen an optische Resonatoren zu koppeln.

Wenn Sie in einer der Galerien der St. Pauls Kathedrale leise sprechen, läuft der Klang so leicht um die Kuppel herum, dass Besucher ihn überall auf ihrem Umfang hören können. Dieses auffällige Phänomen wurde als “Flüstergalerie” -Effekt bezeichnet, und Varianten davon treten in vielen Szenarien auf, in denen sich eine Welle nahezu perfekt um eine Struktur bewegen kann. Forscher der Universität Göttingen haben nun den Effekt genutzt, um den Strahl eines Elektronenmikroskops durch Licht zu steuern. Die Ergebnisse wurden in Nature veröffentlicht.

In ihren Experimenten beleuchtete das Team von Dr. Ofer Kfir und Professor Claus Ropers kleine Glaskugeln mit einem Laser und hielt das Licht in einem sogenannten “optischen Flüstergalerie-Modus” fest. Ähnlich wie im akustischen Beispiel bewegt sich die Lichtwelle herum in diesen Sphären fast ohne Dämpfung. In ihrem Elektronenmikroskop passierten die Forscher dann einen Elektronenstrahl nahe dem Rand der Kugel. Durch Messung der Verteilung der Elektronengeschwindigkeiten stellten sie fest, dass die Elektronen und das Lichtfeld große Energiemengen ausgetauscht hatten.

Laut dem Erstautor Kfir ergibt sich die Stärke der Interaktion aus zwei Beiträgen: „Erstens ermöglicht uns der flüsternde Galerieeffekt, Licht zu speichern und die Zeit zu nutzen, um eine stärkere Welle aufzubauen. Zweitens laufen die Elektronen mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Lichtwelle auf der Glaskugel. “ Er erklärt: „Stellen Sie sich einen Surfer vor, der der Geschwindigkeit der Welle entspricht, um ihre Energie optimal zu nutzen.“ In der Studie beobachteten die Physiker, dass einzelne Elektronen die Energie von Hunderten von Photonen, den Elementarteilchen des Lichtfeldes, aufgenommen oder abgegeben hatten.

Neben dem grundsätzlichen Interesse an diesem Phänomen glauben die Forscher, dass ihre Ergebnisse eine erhebliche zukünftige Relevanz haben. „Wir untersuchen Möglichkeiten, wie Licht der Elektronenmikroskopie Funktionalität verleihen kann“, sagt Ropers von der Fakultät für Physik, Teamleiter und Direktor am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie. „Wir können jetzt Licht verwenden, um den Elektronenstrahl in Raum und Zeit zu steuern. Die Verbesserung der Kopplung von freien Elektronen und Photonen könnte schließlich zu völlig neuen Quantentechnologien für die nanoskalige Abtastung und Mikroskopie führen. Wir sind zuversichtlich, dass die vorliegende Arbeit ein wichtiger Schritt in diese Richtung ist. “

Referenz: „Kontrolle freier Elektronen mit optischen Flüstergalerie-Modi“ von Ofer Kfir, Hugo Lourenço-Martins, Gero Storeck, Murat Sivis, Tyler R. Harvey, Tobias J. Kippenberg, Armin Feist und Claus Ropers, 3. Juni 2020, Natur.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2320-y