Das Forschungszentrum Jülich hat ein selbstentwickeltes Impulsmikroskop vorgestellt, das klarere Bilder von Elektronen im Impulsraum von Materialien liefern kann. Die Bewegungsweise von Elektronen in Kristallgittern bestimmt Schlüsseleigenschaften wie Leitfähigkeit, Magnetismus und Quanteneffekte von Materialien. Das Verständnis des Elektronenverhaltens ist von großer Bedeutung für die zukünftige Entwicklung von Informationstechnologien. „Das internationale Interesse an dieser Methode wächst derzeit rapide“, erklärt Dr. Christian Tusche vom Forschungszentrum Jülich.
Dr. Tusche hat eine Schlüsselrolle bei der Weiterentwicklung der Impulsmikroskopie-Technologie gespielt. Seine Arbeit wurde mit dem Kai-Siegbahn-Preis 2018 und dem Innovation Award in Synchrotron Radiation 2016 ausgezeichnet. Kürzlich veröffentlichte er einen Übersichtsartikel über diese Methode in „Applied Physics Letters“. „Dieses neue Gerät, das wir gemeinsam mit der mechanischen Werkstatt entwickelt haben, ist eine echte Innovation. Derzeit bietet kein spezialisiertes Unternehmen ein vergleichbares Produkt an“, so Dr. Tusche.
Frühere Impulsmikroskope benötigten in der Regel große Forschungseinrichtungen wie Elektronenbeschleuniger oder Röntgenlaser als Strahlungsquellen. Das Jülicher System verwendet hingegen einen Tisch-UV-Laser. Durch ein neu entwickeltes elektronenoptisches Design erreicht es eine höhere Effizienz und liefert klarere Bilder der Elektronenzustände. Das Gerät basiert auf dem photoelektrischen Effekt: Wenn Licht auf ein Material fällt, werden Elektronen emittiert und behalten ihren Impuls und ihre Spinrichtung bei, wodurch ihr Quantenzustand rekonstruiert werden kann. „Bei der Erfassung von Spin und Impuls über einen breiteren Energiebereich stößt die traditionelle Methode jedoch an Grenzen“, erklärt Dr. Tusche. Das Impulsmikroskop kombiniere beide Ansätze. „Mit nur einer oder wenigen Messungen erhält man ein vollständiges Bild.“
Das Impulsmikroskop kann nicht nur die Position der Elektronen, sondern auch deren Bewegungsweise anzeigen. In einem einzigen Experiment lassen sich Informationen über Impuls, Spin, Orbit und räumlich-zeitliche Veränderungen gewinnen. Ein zentrales Ergebnis ist die Fermifläche, die die Impulsverteilung der Elektronen beschreibt und zur Bestimmung grundlegender physikalischer Eigenschaften des Materials dient. Forscher nutzen sie als Fingerabdruck, um zu erkennen, ob ein Material metallisch, halbleitend oder ein Quantenmaterial mit Supraleitung oder komplexem Magnetismus ist.
Seit seiner Einführung hat die Impulsmikroskopie-Technologie mehrere Durchbrüche erzielt. Das Team von Dr. Tusche stellte erfolgreich einen zweidimensionalen Halbmetall her, der nur Elektronen mit einer bestimmten Spinrichtung leitet – eine Richtung für die Spintronik. Zudem beobachteten die Forscher neue Effekte, die den Bahndrehimpuls von Elektronen steuern, was Perspektiven für eine zukünftige „Orbitronik“ eröffnet. Das Gerät eignet sich für eine Vielzahl moderner Materialien wie Metalle, Ferromagnete, Oxide, organische Dünnfilme und topologische Quantenmaterialien. Seine Elektronenlinsen können durch Spannungsänderung virtuell verschoben werden, um bestimmte Teile des Impulsbildes zu vergrößern. Durch die Anregung von Elektronen mit einem Laser können auch zeitaufgelöste Experimente durchgeführt werden, um ultraschnelle Prozesse beim Schalten elektronischer Bauteile zu untersuchen.
Dr. Tusche sagt: „Was wir uns am meisten wünschen, ist, auf bisher unbekannte Effekte zu stoßen, die wir noch nie gesehen haben.“ Derzeit befindet sich das Mikroskop noch in der Testphase, wobei Goldkristalle als Kalibrierungsreferenz dienen. In Zukunft soll es auf andere Materialien ausgeweitet werden und so ein neues Fenster zur Erforschung der Quantenwelt öffnen.
Veröffentlichungsdetails: Autoren: Chen Yingjun et al., Titel: „Momentum Microscopy and Its Applications“, veröffentlicht in: Applied Physics Letters (2026). Zeitschrifteninfo: Applied Physics Letters
