„Flüstergalerie“-Effekt steuert Elektronenstrahlen mit Licht

Physik-News vom 04.06.2020


Wird in einer der Galerien der St. Paul‘s Cathedral in London leise gesprochen, können dennoch viele andere Besucher mithören: Der Schall wird kreisförmig um den Dom weitergetragen und ist entlang der Mauern überall gleich gut zu hören. Dieses besondere Phänomen wird als „Flüstergalerie“-Effekt bezeichnet. Es tritt immer dann auf, wenn eine Welle nahezu ohne Dämpfung eine Struktur umlaufen kann. Physiker der Universität Göttingen haben dieses Prinzip genutzt, um den Strahl eines Elektronenmikroskops mit Licht zu steuern.

Das Team von Dr. Ofer Kfir und Prof. Dr. Claus Ropers beleuchtete in seinen Experimenten kleinste Glaskugeln mit einem Laser und nutzte sie dabei als optische Flüstergalerie: Den Schallwellen vergleichbar bewegt sich auch die Lichtwelle im Innern dieser Kugeln nahezu ohne Verluste entlang der Ränder. Im Elektronenmikroskop leiteten die Forscher dann einen Elektronenstrahl am äußeren Rand der Kugel vorbei. Durch Vermessung der Geschwindigkeiten der Elektronen fanden sie heraus, dass die Elektronen und das Lichtfeld sehr effizient Energie ausgetauscht hatten.


Künstlerische Darstellung eines Elektrons in Wechselbeziehung zu einer Lichtwelle im “Flüstergalerie”-Modus in einer Glaskugel.

Publikation:


Kfir O. et al.
Controlling free electrons with optical whispering-gallery modes
Nature

DOI: 1038/s41586-020-2320-y



Die Stärke dieser Wechselwirkung wird durch zwei Faktoren bestimmt, erklärt Erstautor Kfir: „Erstens erlaubt uns der Flüstergalerie-Effekt, Licht kurzzeitig zu speichern und somit eine stärkere Welle aufzubauen. Zweitens bewegen sich die Elektronen entlang der Glaskugel mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Lichtwelle.“

Letzteres vergleicht Kfir mit einem Surfer, der seine Geschwindigkeit an eine Wasserwelle anpasst, um deren Energie optimal zu nutzen. In ihren Experimenten beobachteten die Physiker, dass einzelne Elektronen die Energie von Hunderten von Photonen, den Elementarteilchen des Lichtfeldes, aufgenommen oder abgegeben haben.

Ihre Erkenntnisse tragen nicht nur zum grundlegenden Verständnis dieser optischen Wechselwirkungen bei, sondern weisen auch in die Zukunft. „Wir suchen nach Möglichkeiten, mithilfe von Licht neue Anwendungen der Elektronenmikroskopie voranzutreiben“, sagt Ropers, Arbeitsgruppenleiter am IV. Physikalischen Institut der Universität und Direktor am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie.

„Mit einem Laser können wir nun den Elektronenstrahl in Raum und Zeit lenken. Wenn es uns gelingt, die Kopplung von freien Elektronen und Photonen weiter zu verstärken, könnte dies schließlich zu völlig neuen Quantentechnologien für die Sensorik und Mikroskopie im Nanometerbereich führen. Wir sind zuversichtlich, dass die vorliegende Arbeit ein wichtiger Schritt in dieser Richtung ist.“


Die News der letzten 14 Tage 11 Meldungen

28.11.2022
Elektrodynamik | Festkörperphysik
Wie man Materialien durchschießt, ohne etwas kaputt zu machen
Wenn man geladene Teilchen durch ultradünne Materialschichten schießt, entstehen manchmal spektakuläre Mikro-Explosionen, manchmal bleibt das Material fast unversehrt.
25.11.2022
Sonnensysteme | Astrophysik
Im dynamischen Netz der Sonnenkorona
In der mittleren Korona der Sonne entdeckt ein Forscherteam netzartige, dynamische Plasmastrukturen – und einen wichtigen Hinweis auf den Antrieb des Sonnenwindes.
25.11.2022
Exoplaneten | Astrophysik
Rätselraten um einen jungen Exo-Gasriesen
Eine Foschergruppe hat einen Super-Jupiter um den sonnenähnlichen Stern HD 114082 entdeckt, der mit einem Alter von 15 Millionen Jahren der jüngste Exoplanet seiner Art ist.
24.11.2022
Teilchenphysik | Festkörperphysik | Quantenphysik
Spin-Korrelation zwischen gepaarten Elektronen nachgewiesen
Physiker haben erstmals experimentell belegt, dass es eine negative Korrelation gibt zwischen den beiden Spins eines verschränkten Elektronenpaares aus einem Supraleiter.
23.11.2022
Festkörperphysik | Quantenoptik
Lichtstrahlen beim Erlöschen zusehen
Ein Forschungsteam konnte erstmals messen, wie das Licht eines Leuchtzentrums in einem Nanodraht nach dessen Anregung durch einen Röntgenpuls abklingt.
22.11.2022
Exoplaneten | Teleskope
Weltraumteleskop JWST: Neues von den Atmospären von Exoplaneten
Beobachtungen des Exoplaneten WASP-39b mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) haben eine Fülle von Informationen über die Atmosphäre des Planeten geliefert.
21.11.2022
Galaxien | Schwarze Löcher | Teleskope
Schärfster Blick in den Kern eines Quasars
Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern präsentiert neue Beobachtungen des ersten jemals identifizierten Quasars.
22.11.2022
Festkörperphysik | Physikdidaktik
Chemielehrbücher: Es gibt keine Kohlensäure - Falsch!
Die Existenz von Kohlensäure war in der Wissenschaft lange umstritten: theoretisch existent, praktisch kaum nachweisbar, denn an der Erdoberfläche zerfällt die Verbindung.
21.11.2022
Quantenphysik
Ein Quant als Winkel
Die Feinstrukturkonstante ist eine der wichtigsten Naturkonstanten überhaupt: In Wien fand man nun eine bemerkenswerte neue Art, sie zu messen – nämlich als Drehwinkel.
21.11.2022
Akustik | Quantenoptik
Akustische Quantentechnologie: Lichtquanten mit Höchstgeschwindigkeit sortiert
Einem deutsch-spanischen Forscherteam ist es gelungen einzelne Lichtquanten mit höchster Präzision zu kontrollieren.

Mehr zu den Themen

15.11.2017
Astrophysik | Teilchenphysik

Noch keine Spur von Dunkler Materie
Eine Art von hypothetischen Elementarteilchen, aus denen die Dunkle Materie bestehen könnte, sind die sogenannten Axionen.
13.07.2020
Quantenoptik | Teilchenphysik

Konzept für neue Technik zur Untersuchung superschwerer Elemente vorgestellt
Verschmelzung physikalischer und chemischer Methoden für die optische Spektroskopie superschwerer Elemente.
31.08.2018
Teilchenphysik

Atomen und Elektronen bei der Arbeit zugeschaut
Kieler Schichtkristalle dienen weltweit als Grundlage zur Erforschung des Nanokosmos.
26.07.2018
Quantenoptik | Teilchenphysik

Starke Kopplung durch Spin-Trio
Um Qubits für Quantencomputer weniger störanfällig zu machen, benutzt man vorzugsweise den Spin zum Beispiel eines Elektrons.
16.04.2018
Teilchenphysik

Freigesetzt lassen sich Elektronen besser fangen
Forscher der UNIGE und des MBI in Berlin haben erstmalig ein Elektron in einen Doppelzustand versetzt, in dem es weder ganz frei, noch an den Atomkern gebunden ist.
23.01.2019
Quantenphysik | Teilchenphysik

Studie: Zusammenstoß einzelner Atome führt zu zweifacher Änderung des Drehimpulses
Dank neuer Technik ist es möglich, einzelne Atome festzuhalten, gezielt zu bewegen oder ihren Zustand zu verändern.
03.09.2019
Teilchenphysik | Quantenphysik

Ein neues Alphabet zum Schreiben und Lesen von Quantennachrichten mit sehr schnellen Teilchen
Quanteninformation beruht auf der Möglichkeit, Nachrichten in ein Quantenteilchen zu schreiben und zuverlässig auszulesen.
19.03.2021
Festkörperphysik | Teilchenphysik

Elektronen eingegipst
Eine scheinbar einfache Wechselwirkung zwischen Elektronen kann in einem extremen Vielteilchenproblem zu verblüffenden Korrelationen führen.
02.03.2020
Atomphysik | Teilchenphysik | Quantenphysik

Rechts, links, Bananenflanke: Mit chiralem Licht die Elektronenkrümmung in atomaren Schichten messen
Ein internationales Forschungsteam aus der Schweiz, Deutschland und den USA hat gezeigt, dass die Berry-Krümmung – eine wichtige Eigenschaft von Quantenmaterialien – mit chiralem Licht abgebildet werden kann.
16.11.2018
Teilchenphysik

Weltweit erstmals Entstehung von chemischen Bindungen in Echtzeit beobachtet und simuliert
Einem Team von Physikern unter der Leitung von Prof.
29.05.2018
Festkörperphysik | Quantenphysik | Quantenoptik | Teilchenphysik

Ultradünner Supraleiter ebnet Weg zu neuen quantenelektronischen Instrumenten
Forschern des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) ist es gemeinsam mit Kollegen aus Karlsruhe, London und Moskau gelungen, erstmals einen kohärenten Quanteneffekt mit einem bei tiefen Temperaturen kontinuierlich supraleitenden Nanodraht experimentell nachzuweisen und damit einen neuen Quantendetektor zu realisieren.
04.06.2020
Optik | Teilchenphysik

„Flüstergalerie“-Effekt steuert Elektronenstrahlen mit Licht
Wird in einer der Galerien der St.
12.07.2018
Elektrodynamik | Festkörperphysik | Teilchenphysik

Magnetische Wirbel: Erstmals zwei magnetische Skyrmionenphasen in einem Material entdeckt
Erstmals entdeckte ein Forscherteam in einem Material zwei unabhängige Phasen mit magnetischen Wirbeln, sogenannten Skyrmionen.
18.08.2021
Teilchenphysik

Verwandlung im Teilchenzoo
Eine internationale Studie hat in Beschleuniger-Daten Hinweise auf einen lang gesuchten Effekt gefunden: Die „Dreiecks-Singularität“ beschreibt, wie Teilchen durch den Austausch von Quarks ihre Identität ändern und dabei ein neues Teilchen vortäuschen können.
14.06.2018
Astrophysik | Teilchenphysik

Ein neues Experiment zum Verständnis der Dunklen Materie
Ist Dunkle Materie Quelle für eine bis jetzt unbekannte Wechselwirkung zusätzlich zur Gravitation?
26.11.2020
Quantenphysik | Teilchenphysik

Das Protonenrätsel geht in die nächste Runde
Physiker am Max-Planck-Institut für Quantenoptik haben die Quantenmechanik mit Hilfe der Wasserstoffspektroskopie einem neuen bis dato unerreichten Test unterzogen und sind der Lösung des bekannten Rätsels um den Protonenladungsradius damit ein gutes Stück nähergekommen.
28.09.2018
Optik | Teilchenphysik

Maschinelles Lernen hilft, Photonik-Anwendungen zu optimieren
Photonische Nanostrukturen erhöhen nicht nur die Effizienz von Solarzellen, sondern verbessern auch die Wirksamkeit von optischen Sensoren, die zum Beispiel als Krebsmarker verwendet werden.
05.06.2018
Teilchenphysik | Biophysik

Neutronentomographie: Einblick ins Innere von Zähnen, Wurzelballen, Batterien und Brennstoffzellen
Einen umfassenden Überblicksbeitrag über bildgebende Verfahren mit Neutronen hat ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Europäischen Spallationsquelle ESS im renommierten Fachjournal Materials Today (Impaktfaktor 21,6) publiziert.
02.10.2018
Quantenphysik | Teilchenphysik

Durchbruch in der Quantenphysik: Reaktion von Quantenfluid auf Fotoanregung gelöster Teilchen
Forscher der TU Graz beschreiben in Nature Communications den Prozess, der innerhalb einer Billionstel Sekunde in einem suprafluiden Heliumtröpfchen abläuft, wenn in dessen Inneren ein Atom fotodynamisch angeregt wird.
14.07.2022
Astrophysik | Teilchenphysik

Neutrinofabriken in den Tiefen des Weltraums
Neutrinos, die unseren Planeten aus den Tiefen des Universums erreichen, stammen von Blazaren.
04.07.2018
Quantenphysik | Teilchenphysik

Elektronenspektrometer entschlüsselt quantenmechanische Effekte
Elektronische Schaltkreise sind derart miniaturisiert, dass sich quantenmechanische Effekte bemerkbar machen.
04.11.2022
Galaxien | Teilchenphysik

Erstes Neutrino-Bild einer aktiven Galaxie
Seit mehr als zehn Jahren detektiert das IceCube Observatorium in der Antarktis Leuchtspuren extragalaktischer Neutrinos.
17.06.2020
Supernovae | Teilchenphysik

Supernovae bringen Licht in dunkle Materie
Explosionen von Sternen – sogenannte Supernovae – können Licht in die Erforschung dunkler Materie bringen.
21.03.2018
Teilchenphysik

Extrem seltener Kaon-Zerfall weckt Hoffnungen auf neue Physik
Neues Experiment am CERN zeigt erste Ergebnisse – Wissenschaftler hoffen auf weitere Datenauswertung für die Suche nach neuer Physik.
17.07.2019
Teilchenphysik | Festkörperphysik

Hocheffiziente Solarzellen dank solidem Fundament
Die Sonne ist eine unerschöpfliche und nachhaltige Energiequelle.
12.07.2018
Astrophysik | Teilchenphysik

MAGIC-Teleskope finden Entstehungsort von seltenem kosmischen Neutrino
Astrophysikern ist es erstmals gelungen, die Quelle eines hochenergetischen kosmischen Neutrinos zu orten. Mit hoher Wahrscheinlichkeit entstammt das Neutrino einem Blazar, einem aktiven Schwarzen Loch im Zentrum einer entfernten Galaxie im Sternbild des Orion. Wie kam es zu diesem interessanten Ergebnis?
19.11.2018
Sterne | Teilchenphysik

Kosmische Schlange
Das VISIR-Instrument des VLT der ESO hat dieses atemberaubende Bild eines neu entdeckten, massereichen Dreifachsternsystems aufgenommen.
22.01.2020
Teilchenphysik

Signale aus dem Erdinneren: Borexino-Experiment veröffentlicht neue Daten zu Geoneutrinos
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Borexino-Kollaboration haben neue Ergebnisse zur Messung von Neutrinos vorgelegt, die aus dem Innern der Erde stammen.
20.09.2016
Teilchenphysik

Überraschender Einblick in die Welt der Atomkerne
Wie fügen sich Neutronen und Protonen zu Atomkernen zusammen?
08.11.2018
Festkörperphysik | Teilchenphysik

«Synchronisiertes» Licht
Wenn Fotoemitter miteinander kooperieren, dann strahlen sie gleichzeitig, ein Phänomen, das als Superfluoreszenz bekannt ist.
10.02.2015
Milchstraße | Teilchenphysik

Dunkle Materie im Zentrum unserer Milchstraße
Eine mysteriöse Form von Materie durchzieht unser Universum.
17.02.2021
Quantenoptik | Teilchenphysik

Röntgen-Doppelblitze treiben Atomkerne an
Erstmals ist einem Forscherteam des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik die kohärente Kontrolle von Kernanregungen mit geeignet geformten Röntgenlicht gelungen.
13.04.2018
Teilchenphysik

Einzelne Fremdatome in Graphen nachweisbar
Einem Team mit Physikern der Universität Basel ist es gelungen, einzelne Fremdatome in Graphenbändern mithilfe der Rasterkraftmikroskopie eindeutig abzubilden.
12.07.2018
Astrophysik | Teilchenphysik

Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen
Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen.
01.05.2016
Teilchenphysik

Dauerbetrieb der Tokamaks rückt näher
Aussichtsreiche Experimente in ASDEX Upgrade / Bedingungen für ITER und DEMO nahezu erfüllt.
19.09.2018
Quantenphysik | Teilchenphysik

Was Einstein noch nicht wusste
Er liefert die Grundlage für Solarenergie und globale Kommunikation: der photoelektrische Effekt.
10.09.2018
Teilchenphysik

Graphen ermöglicht Taktraten im Terahertz-Bereich
Graphen gilt als vielversprechender Kandidat für die Nanoelektronik der Zukunft.
21.04.2022
Festkörperphysik | Quantenphysik | Teilchenphysik

Das Rätsel ultrakurzer Solitonen-Moleküle
Stabile Pakete von Lichtwellen – sogenannte optische Solitonen – werden in Ultrakurzpuls-Lasern als eine Kette von Lichtblitzen ausgestrahlt.
10.12.2021
Teilchenphysik

Das Tetra-Neutron – Existenz eines lange gesuchten Teilchens belegt
Während alle Atome außer Wasserstoff aus Protonen und Neutronen zusammengesetzt sind, sucht die Physik seit 50 Jahren nach einem Teilchen, das aus zwei, drei oder vier Neutronen besteht.
03.11.2020
Teilchenphysik

Auf der Suche nach kohärenter Neutrino-Streuung
Mit dem CONUS-Neutrinodetektor wurde am Kernkraftwerk Brokdorf erstmals eine Obergrenze für vollständig kohärente Streuung von Neutrinos an Atomkernen bestimmt.
30.09.2021
Plasmaphysik | Teilchenphysik

Strahldiagnostik für zukünftige Beschleuniger im Tischformat
Seit Jahrzehnten wurden Teilchenbeschleuniger immer größer - Seit einigen Jahren gibt es jedoch eine Alternative: „Teilchenbeschleuniger im Tischformat“, die auf der Laseranregung von Kielwellen in Plasmen (laser wakefield) basieren.
02.05.2019
Atomphysik | Teilchenphysik | Festkörperphysik

Zufall hilft Forschern: Eckpfeiler der Physik muss ergänzt werden
Atomkerne und Elektronen in Festkörpern beeinflussen sich gegenseitig in ihren Bewegungen – und das nicht nur in seltenen Ausnahmefällen, wie bisher angenommen.
17.04.2018
Teilchenphysik

Wie schwingt ein Molekül, wenn es berührt wird
Physiker aus Regensburg, Kanazawa und Kalmar untersuchen Einfluss eines äußeren Kraftfeldes.
08.04.2020
Astrophysik | Teilchenphysik

Zweifel an grundsätzlichen Annahmen zum Universum
Egal wohin wir schauen, im Weltall herrschen überall dieselben Regeln: Auf dieser Grundthese fußen zahllose Berechnungen der Astrophysik.
18.04.2018
Optik | Teilchenphysik

Auf dem Weg zur optischen Kernuhr
Wissenschaftler aus Braunschweig, München, Darmstadt und Mainz berichten in "Nature" über einen Weg, eine Laseranregung des Thorium-229-Atomkerns zu kontrollieren und somit eine optische Kernuhr zu realisieren, die genauer „tickt“ als heutige Atomuhren.
16.05.2018
Optik | Teilchenphysik

Positronen leuchten besser
Leuchtstoffe werden schon lange benutzt, im Alltag zum Beispiel im Bildschirm von Fernsehgeräten oder in PC-Monitoren, in der Wissenschaft zum Untersuchen von Plasmen, Teilchen- oder Antiteilchenstrahlen.
02.11.2017
Teilchenphysik

Teilchendiffusion funktioniert anders als bisher angenommen
Der Physiker Peter Hänggi und seine Gruppe am Augsburger Lehrstuhl für Theoretische Physik I berichten in PNAS über die erstmals gelungene Quantifizierung hydrodynamischer Effekte beim Partikeltransport.
06.07.2018
Quantenoptik | Teilchenphysik

Bindungsbruch: Mitmachen oder nicht
Ob und wie sich chemische Reaktionen durch gezielte Schwingungsanregung der Ausgangsstoffe beeinflussen lassen, untersuchen Physiker um Roland Wester an der Universität Innsbruck.
30.06.2017
Quantenphysik | Teilchenphysik

Erstmals gemessen - Quantenfeldtheorie im Quanten-Simulator
Eine neue Art der Vermessung von Vielteilchen-Quantensystemen präsentiert die TU Wien in Kooperation mit der Universität Heidelberg nun im Fachjournal „Nature“.
27.10.2021
Teilchenphysik

Keine Spur von sterilen Neutrinos
Sogenannte sterile Neutrinos waren mehr als zwei Jahrzehnte lang eine vielversprechende Erklärung für Anomalien, die in früheren physikalischen Experimenten beobachtet wurden.