Femtosecond single-electron diffraction
Die grundlegenden Funktionsprinzipien der Natur zu verstehen, ist seit jeher Antrieb der Naturwissenschaften. Verhalten und Eigenschaften von Festk\xf6rpern werden dabei h\xe4ufig von dynamischen Prozessen auf atomarer Skala (< 10^-10 m) bestimmt, welche typischerweise auf Zeitskalen im Bereich von zehn Femtosekunden (10^-15 s) bis hin zu vielen Picosekunden (10^-12 s) ablaufen. Zeitaufgel\xf6ste Elektronenbeugung an kristallinen Festk\xf6rpern erm\xf6glicht die direkte Beobachtung solcher Prozesse in Raum und Zeit. Die bislang mit diesem Verfahren erreichte Zeitaufl\xf6sung von etwa 100 fs eignet sich jedoch nicht zur Beobachtung der schnellsten Prozesse in Festk\xf6rpern. Auch die, zur zuverl\xe4ssigen Aufl\xf6sung von gro\xdfen Elementarzellen molekularer Kristalle erforderliche, transversale Koh\xe4renz ist unzureichend. Eine wesentliche Ursache f\xfcr diese beiden Probleme liegt in der gegenseitigen Coulomb-Absto\xdfung der Elektronen innerhalb eines Pulses und den daraus resultierenden Ver\xe4nderungen der Geschwindigkeitsverteilungen in radialer und longitudinaler Richtung. W\xe4hrend erstere zu verringerter transversaler Koh\xe4renz f\xfchrt, hat letztere l\xe4ngere Elektronenpulsdauern und damit eine begrenzte Zeitaufl\xf6sung zur Folge.\nIn dieser Arbeit wird ein Messaufbau zur zeitaufgel\xf6sten Elektronenbeugung vorgestellt, welcher auf der Erzeugung von nur einem Elektron pro Puls basiert. Aufgrund der Vermeidung von Coulomb-Absto\xdfung innerhalb der Pulse ist dieser Ansatz eine vielversprechende Basis zur konzeptionell nahezu unbegrenzten Verbesserung der Zeitaufl\xf6sung. Eine hier eigens entwickelte, thermisch stabilisierte Elektronenquelle garantiert einen hohen Grad an Koh\xe4renz bei gleichzeitig hervorragender Langzeitstabilit\xe4t der Photoelektronenausbeute. Insbesondere letzteres ist f\xfcr zeitaufgel\xf6ste Beugungsexperimente mit Einzeleelektronen aufgrund der l\xe4ngeren Integrationszeit unerl\xe4sslich, konnte jedoch durch vorhergehende Quellen nicht erreicht werden. Dar\xfcber hinaus werden in dieser Arbeit die besonderen Anspr\xfcche der Einzelelektronenbeugung an die zu untersuchenden Materialien diskutiert und Strategien zur Vermeidung von Sch\xe4den an der Probe durch akkumulierte Anregungsenergie entwickelt. Diese erfordern neue Schwerpunkte bei der Probenpr\xe4paration, welche entwickelt und diskutiert werden. Die Beobachtung der komplexen Relaxationsdynamik in Graphit-D\xfcnnfilmen mit zeitaufgel\xf6ster Einzelelektronenbeugung demonstriert abschlie\xdfend die generelle Eignung dieses Verfahrens als zuverl\xe4ssige Methodik zur Untersuchung von reversibler, struktureller Dynamik in Festk\xf6rpern mit atomarer Aufl\xf6sung.\nNicht-relativistische Einzelelektronenpulse k\xf6nnen mit Hilfe von zeitabh\xe4ngigen Feldern bei Mikrowellenfrequenzen bis in den 10 fs-Bereich komprimiert werden, eventuell sogar\nbis in den Attosekundenbereich. Die hier demonstrierte langzeitstabile und hochkoh\xe4rente Elektronenquelle, sowie die Methodiken zur Probenpr\xe4paration und zeitaufgel\xf6sten Beugung\nmit Einzelelektronenpulsen liefern die Basis f\xfcr zuk\xfcnftige Experimente dieser Art.