Entwicklung eines Quanten-Elektronenmikroskops: Bestimmung der Dekohärenz-Zeiten und Entwicklung kohärenter Strahlaufspaltungs-Methoden für elektronische Überlagerungszustände

01.11.2016 bis 31.01.2017

In den letzten Jahrzehnten ermöglichten neuartige Methoden die präzise räumliche und zeitliche Kontrolle einer kohärenten Elektronen-Materiewelle im freien Raum. Eine der daraus resultierenden technischen Innovationen ist das kürzlich vorgeschlagene Quanten-Elektronenmikroskop. Es wird derzeit in der Forschungsgruppe von Prof. Mark Kasevich an der Stanford University, USA, entwickelt. Das Gerät basiert dabei auf dem Prinzip der quantenmechanischen interaktionsfreien Messung. Es hat gegenüber bestehenden Elektronenmikroskopen den potentiellen Vorteil, Oberflächen mit deutlich weniger Elektronendeposition abscannen zu können. Dies würde z.B. die Untersuchung von fragilen Biomolekülen erlauben. Alle bisher vorgeschlagenen Realisierungen benötigen eine große, kohärente Elektronenstrahl-Aufspaltung und eine lange Dekohärenzzeit des elektronischen Überlagerungszustandes in einer elektromagnetischen Falle. Diese Zeit ist jedoch limitiert durch eine Coulomb-Wechselwirkung mit den Fallenelektroden, wodurch Welcher-Weg-Information an die Umgebung abgegeben wird. Die Arbeitsgruppe von Dr. Alexander Stibor in Tübingen untersucht in einem aktuellen DFG-Projekt Coulomb-induzierte Dekohärenzmechanismen in einem Elektronen-Biprisma-Interferometer. Der Aufbau wird die Messung der Dekohärenzzeit der Quantenzustände von überlagerten, freien Elektronen in der Nähe von metallischen, halbleitenden und supraleitenden Oberflächen bei unterschiedlichen Temperaturen ermöglichen. Dabei kann der Abstand der Elektronen zur leitenden Umgebung sowie die Strahlaufspaltung variiert und die resultierende Dekohärenz mit verschiedenen theoretischen Ansätzen verglichen werden. Zusätzlich ist in der Arbeitsgruppe geplant, einen bestehenden experimentellen Aufbau zu modifizieren, um auf Basis von kürzlich veröffentlichten Simulationen, verschiedene Methoden zur Maximierung der kohärenten Strahlaufspaltung zu testen. Aufgrund der starken Überlappung der wissenschaftlichen Themen beider Arbeitsgruppen hat das Physikalische Institut der Stanford Universität Dr. Stibor als Gastwissenschaftler für drei Monate eingeladen. Dieser Antrag ersucht daher die Finanzierung dieses Forschungsaufenthaltes. Dabei sollen die Experimente der beiden Arbeitsgruppen aufeinander abgestimmt werden, um in Tübingen den relevanten Parameterbereich für das derzeitige Mikroskop-Design in Stanford zu vermessen und zu optimieren. Dies bezieht sich auf die Leitfähigkeit und Temperatur der Dekohärenzoberfläche, die Strahlaufspaltung und die Emissionsenergie der Elektronen. Die spezielle Erfahrung der Gruppe in Tübingen mit neuen Einatomspitzen-Strahlquellen und mit der Verringerung von Dephasierungen aufgrund von Hintergrundstörungen soll dabei auch in die Experimente in Stanford einfließen. Das Ziel des Forschungsaufenthalts ist der Austausch und das Testen von Ideen, um ein zukünftiges Kollaborationsprojekt zu initiieren, in dem optimierte Strahlführungsmethoden für das Quanten-Elektronenmikroskop entwickelt werden.