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2D Paulfalle für Elektronen

Motivation

Ziel dieses Experiments ist es, freie Elektronen an der Oberfläche eines strukturierten Mikrowellensubstrats einzufangen und dort gezielt zu manipulieren. Mit Hilfe von Mikrowellensignalen die wir auf der Oberfläche des Substrats erzeugen können, gelingt es uns, elektrische Felder zu induzieren, die Elektronen in zwei Raumrichtungen gefangen halten und diese wie in einem Schlauch entlang der Oberfläche des Mikrowellensubstrats zu führen. Die allgemeine Motivation dieses Experiments besteht darin, die von der Quantenmechanik beschriebene Wellennatur eines Elektrons im einschließenden Feld des Elektronenleiters zu untersuchen und für Quantenexperimente mit Elektronen auszunutzen. So sind mit einem solchen Aufbau Interferometer für langsame Elektronen denkbar, die es erlauben, extrem kleine elektrische Felder oder Rotationen zu messen in einem kompakten Aufbau zu messen.

Experiment

Das Funktionsweise des Elektronenleiters basiert auf einer linearen Paulfalle. Paulfallen ermöglichen das Fangen geladener Teilchen (bis vor kurzem allein Ionen) in einem rein elektrischen Wechselfeld. Sind die Oszillationen des Feldes schnell genug verglichen mit der Bewegung der zu fangenden Teilchen, so wirkt im zeitlichen Mittel eine harmonische Rückstellkraft auf das Teilchen, die es stets in Richtung eines Feldminimums beschleunigt und somit einen stabilen Einschluss ermöglicht. Aufgrund ihrer geringen Masse reagieren Elektronen sehr schnell auf elektrische Felder, weshalb diese für einen stabilen Einschluss mit vergleichsweise hohen Frequenzen umgepolt werden müssen. Typische Werte liegen im Mikrowellenbereich, zwischen 1GHz und 10GHz. Zum Vergleich: Ionen können schon bei deutlich niedrigeren Frequenzen von einigen 10MHz bis 100MHz stabil gefangen werden.

 

Elektronenkanone, Mikrowellenguide für Elektronen und MCP-Detektor

Elektronen mit einer Energie von 1 bis 10 eV werden an einem Ende des Leiters eingekoppelt und von gekrümmten Elektroden um 30° abgelenkt, wodurch geführte Elektronen von ungeführten auf dem Detektor räumlich voneinander getrennt werden. So konnten wir zeigen, dass Paulfallen auch mit und für Elektronen funktionieren und Elektronen wirklich in einem zweidimensionalen Einschluss geführt werden können [1,2].

PRL Bild von einem Mikrowellenguide

Elektronen folgen der gekurvten Mikrowellenstruktur, wenn Mikrowellenspannung angelegt wird (orangene Kurve).

Ausblick

Mit Hilfe einer beugungsbegrenzten Elektronenquelle möchten wir Elektronenwellenpakete gezielt in transversale quantenmechanische Bewegungszustände der linearen Paulfalle einkoppeln. Diese Quantenzustände könnten in späteren Experimenten, z.B. Interferenzexperimenten, als Informations­träger genutzt werden könnten.

QEM-Schema

Mit dieser Zielsetzung arbeiten wir deshalb auch an deutlich komplexeren Fallengeometrien, wie z.B. einem Strahlteiler oder einem Resonator für Elektronen. Die Experimente zum Elektronenleiten könnten in Zukunft auch eine wichtige Rolle bei der Verwirklichung eines Quantenelektronenmikroskops [3] spielen.

Dieses Projekt ist Teil einer internationalen Kollaboration und wird von der Gordon and Betty Moore Stiftung gefördert.

 

[1] Hoffrogge, Johannes; Fröhlich, Roman; Kasevich, Mark A.; Hommelhoff, Peter;  Microwave guiding of electrons on a chip. Phys. Rev. Lett. 106, 193001 (2011).

[2] Hoffrogge, Johannes; Hommelhoff, Peter;  Planar microwave structures for electron guiding. New J. Phys. 13, 095012 (2011).

[3] Putnam, W. P., Yanik, M. F. Noninvasive electron microscopy with interaction-free quantum measurements. Phys. Rev. A 80, 040902(R) (2009).