Ein Vortexgenerator hoher Brillanz im Elektronenmikroskop

Die kürzlich entdeckten Elektronen-Vortexstrahlen bsitzen viele ungewöhnliche Eigenschaften wie z.B. helikale Wellenfront, im Vakuum propagierende Ringströme, und ein magnetisches Moment, das vielfach höher sein kann als das Spinmoment des Elektrons. Diese Strahlen erlauben vielversptrechende neue Anwendungen, falls die Intensität gegenüber der jetzt mit Standardmethoden erzeugbaren erhöht werden kann. Das Ziel des Projekts ist die Adaptierung von magnetischen Aberrationskorrektoren, die in modernen Transmissionselektronenmikroskopen vorhanden sind, für die Erzeugung von Elektronenvortices hoher Brillianz. Damit ließe sich ein Intensitätsgewinn gegenüber der zur Zeit vorherrschenden Technik um einen Faktor 5 -10 erzielen. Die Methode wurde ursprünglich als lichtoptischer Vortexgenerator für Laserstrahlen entwickelt. Ein entsprechendes Gerät für Elektronen würde neue Wege für die Untersuchung magnetischer Strukturen und Strukturen mit gebrochener chiraler Symmetrie in der Elektronenmikroskopie eröffnen. Der erfolgreiche Ausgang des Projekts wird neue Einsicht in die Physik helikaler und spintragender Materiewellen ermöglichen. Ein Vortexgenerator hoher Brillianz, der in zahlreichen modernen Elektronenmikroskopen mit Aberrationskorrektoren ohne weiteren instrumentellen Zusatz zur Verfügung steht, ist außerordentlich interessant für die Untersuchung technologisch vielversprechender Materialien mit Chiralität, wie z. B. die kürzlich entdeckten magentischen Skyrmionengitter, speziell in den Forschungsfeldern Spintronik, Nanomagnetismus, optische Metamaterialien sowie in Nano-Bioanwendungen.

Die Entdeckung von Elektronenvortices im Jahr 2010 hat viele neue Ideen in der Festkörper- und Elektronenphysik hervorgerufen. Elektronenvortices sind einzelne Teilchen, die einen Drehimpuls und ein vom Elektronenspin unabhängiges magnetisches Moment besitzen. Diese Eigenschaften sind quantisiert, d. h. sie werden in Vielfachen der kleinstmöglichen physikalischen Einheiten - dem Planck'schen Wirkungsquantum bzw. dem Bohrschen Magneton - angegeben. Elektronenvortices können zu winzigen ringförmigen Strukturen bis hinunter zu atomaren Dimensionen fokussiert werden, eine einzigartige Eigenschaft, die besonders für die Elektronenmikroskopie wichtig ist. Die Anwendungen reichen von der Manipulation von Nanopartikeln, dem Übertragen von Drehimpuls an Nanomagneten, der Messung des magnetischen Moments einzelner Atome, der Erzeugung einzelner Elektronen mit sehr großem magnetischem Moment, der Untersuchung chiraler Strukturen oder Moleküle bis hin zur Dynamik von Landau-Zuständen freier Elektronen, alles im Elektronenmikroskop. Von einigen überzeugenden Beispielen abgesehen, konnten die anfänglich hohen Erwartungen nicht erfüllt werden. Es wurde bald klar, dass das Haupthindernis das schwache Signal und die geringe Qualität der damals verfügbaren Elektronenvortices war. Im vorliegenden Projekt wurde die /2-Modenkonversion - eine Technik, die ursprünglich aus der Lichtoptik stammt - an das Elektronenmikroskop angepasst. Der Modenkonverter wandelt ein Strahlelektron mit Hilfe eines Paars magnetischer Quadrupollinsen des Mikroskops in einen Elektronenvortex um. Wir konnten Vortices von hoher Reinheit und Brillanz erzeugen, die eine Steigerung der Intensität um den Faktor 5 bis 10 aufwiesen. Unerwartet stellte sich heraus, dass der Modenkonverter als Quantenlogik-Gatter verwendet werden kann, das als neue Testplattform für Quantencomputing dienlich sein könnte. Die im Projekt gewonnene Expertise führte zu einem überraschenden Nebenergebnis in einem ganz anderen Bereich: Numerische Simulationen mit der für das Elektronenmikroskop entwickelten Software zeigten, dass das magnetische Bussard-Staustrahltriebwerk - ein Konzept für interstellare Reisen, das 1960 vorgeschlagen und in einer Reihe von begutachteten Publikationen weiterentwickelt wurde, auf die noch heute in der Literatur verwiesen wird - nicht funktionieren kann.