A microwave chip-based beamsplitter for guided low-energy electrons

Published: Dec. 19, 2014, 11 a.m.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind Experimente, in denen freie Elektronen in den Mikrowellenfeldern eines Quadrupolleiters manipuliert werden. Die Erzeugung der elektrischen Felder mit Hilfe eines planaren Mikrowellensubstrats erm\xf6glicht es, die Bewegung langsamer Elektronen mit Energien unterhalb von 10 eV auf vielf\xe4ltige Art und Weise zu beeinflussen. In diesem Zusammenhang bieten planare Substrate den zentralen Vorteil, dass fein strukturierte Potentiallandschaften im Nahfeld der Mikrowellenanregung erzeugt werden k\xf6nnen. Zudem kann ein tiefer Einschluss der Elektronen in diesem Potential gew\xe4hrleistet werden. Dies schafft ideale Voraussetzungen f\xfcr die Realisierung von planaren Strahlteilern oder Resonatoren f\xfcr Elektronen, die wiederum Perspektiven f\xfcr neuartige Quantenoptikexperimente mit gef\xfchrten Elektronen er\xf6ffnen.\nIm Rahmen dieser Arbeit ist es zum ersten Mal gelungen, einen gef\xfchrten Elektronenstrahl an der Oberfl\xe4che eines strukturierten Mikrowellensubstrats aufzuspalten und die Funktionsweise des Strahlteilers experimentell zu untersuchen. Die erfolgreiche Durchf\xfchrung dieses Experiments basiert auf der Erzeugung eines mikrostrukturierten Strahlteilerpotentials und dem Einsatz von Treiberfrequenzen im Gigahertzbereich. Zu diesem Zweck haben wir ein Mikrowellensubstrat entwickelt, das ein einschlie\xdfendes Potential erzeugt, in dem Elektronen entlang eines Pfades gef\xfchrt werden, der sukzessive in zwei Pfade auff\xe4chert. In unserem Experiment beobachten wir hinter dem Strahlteilersubstrat zwei symmetrisch aufgespaltene Elektronenstrahlen. Au\xdferdem stellen wir fest, dass ab einer Elektronenenergie von 3 eV erhebliche Verluste das Elektronensignal dominieren. Aus diesem Grund pr\xe4sentieren wir Simulationen, die die Welleneigenschaften der Elektronen ber\xfccksichtigen und das Strahlteilerpotential in der Hinsicht verbessern, dass Anregungen der Elektronenbewegung w\xe4hrend der Aufspaltung minimiert werden.\nEin weiterer Schwerpunkt liegt auf dem Entwurf und der experimentellen Vermessung einer Elektronenkanone, die auf eine scharfe Metallspitze als Elektronenquelle zur\xfcckgreift. Mit Hilfe dieser Elektronenkanone wollen wir einen gepulsten, beugungslimitierten Elektronenstrahl erzeugen und diesen in den Elektronenleiter einspeisen. Des Weiteren k\xf6nnen wir im Rahmen dieses Experiments mittels Elektroneninterferenz nachweisen, dass ein von einer lasergetriebenen Metallspitze photoemittierter Elektronenstrahl hervorragende r\xe4umliche Koh\xe4renzeigenschaften besitzt. Diese Beobachtung ist f\xfcr alle zeitaufgel\xf6sten Anwendungen relevant, die eine lasergetrieben Metallspitze zur Erzeugung koh\xe4renter Elektronenstrahlen einsetzen. In zuk\xfcnftigen Experimenten wollen wir die hohe zeitliche Kontrolle der lasergetriebenen Elektronenquelle mit der r\xe4umlichen Kontrolle \xfcber gef\xfchrte Elektronen vereinen.\nDer transversale Einschluss gef\xfchrter Elektronen f\xfchrt naturgem\xe4\xdf dazu, dass die Dynamik im einschlie\xdfenden Potential durch diskrete Quantenzust\xe4nde beschrieben wird. Im Prinzip sollte es daher m\xf6glich sein, Elektronen in quantisierten Bewegungszust\xe4nden zu erzeugen, die tief im Potential des Elektronenleiters liegen. Grundvoraussetzung daf\xfcr ist eine beugungslimitierte Elektronenquelle, sowie ein Potential, das Elektronen einen sanften \xdcbergang in den Elektronenleiter erlaubt. In dieser Arbeit zeigen wir, dass mit Hilfe einer optimierten Einkoppelstruktur und einer gepulsten Elektronenquelle Elektronen nahezu st\xf6rungsfrei in das einschlie\xdfende Potential \xfcberf\xfchrt werden k\xf6nnen. Dies ist eine wichtige Ma\xdfnahme, um Elektronen in weiterf\xfchrenden Experimenten direkt in Quantenzust\xe4nde des Elektronenleiters einzuspeisen.