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

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 ermöglicht es, die Bewegung
langsamer Elektronen mit Energien unterhalb von 10 eV auf
vielfältige Art und Weise zu beeinflussen. In diesem Zusammenhang
bieten planare Substrate den zentralen Vorteil, dass fein
strukturierte Potentiallandschaften im Nahfeld der
Mikrowellenanregung erzeugt werden können. Zudem kann ein tiefer
Einschluss der Elektronen in diesem Potential gewährleistet werden.
Dies schafft ideale Voraussetzungen für die Realisierung von
planaren Strahlteilern oder Resonatoren für Elektronen, die
wiederum Perspektiven für neuartige Quantenoptikexperimente mit
geführten Elektronen eröffnen. Im Rahmen dieser Arbeit ist es zum
ersten Mal gelungen, einen geführten Elektronenstrahl an der
Oberfläche eines strukturierten Mikrowellensubstrats aufzuspalten
und die Funktionsweise des Strahlteilers experimentell zu
untersuchen. Die erfolgreiche Durchführung 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 einschließendes Potential erzeugt, in dem
Elektronen entlang eines Pfades geführt werden, der sukzessive in
zwei Pfade auffächert. In unserem Experiment beobachten wir hinter
dem Strahlteilersubstrat zwei symmetrisch aufgespaltene
Elektronenstrahlen. Außerdem stellen wir fest, dass ab einer
Elektronenenergie von 3 eV erhebliche Verluste das Elektronensignal
dominieren. Aus diesem Grund präsentieren wir Simulationen, die die
Welleneigenschaften der Elektronen berücksichtigen und das
Strahlteilerpotential in der Hinsicht verbessern, dass Anregungen
der Elektronenbewegung während der Aufspaltung minimiert werden.
Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf dem Entwurf und der
experimentellen Vermessung einer Elektronenkanone, die auf eine
scharfe Metallspitze als Elektronenquelle zurückgreift. Mit Hilfe
dieser Elektronenkanone wollen wir einen gepulsten,
beugungslimitierten Elektronenstrahl erzeugen und diesen in den
Elektronenleiter einspeisen. Des Weiteren können wir im Rahmen
dieses Experiments mittels Elektroneninterferenz nachweisen, dass
ein von einer lasergetriebenen Metallspitze photoemittierter
Elektronenstrahl hervorragende räumliche Kohärenzeigenschaften
besitzt. Diese Beobachtung ist für alle zeitaufgelösten Anwendungen
relevant, die eine lasergetrieben Metallspitze zur Erzeugung
kohärenter Elektronenstrahlen einsetzen. In zukünftigen
Experimenten wollen wir die hohe zeitliche Kontrolle der
lasergetriebenen Elektronenquelle mit der räumlichen Kontrolle über
geführte Elektronen vereinen. Der transversale Einschluss geführter
Elektronen führt naturgemäß dazu, dass die Dynamik im
einschließenden Potential durch diskrete Quantenzustände
beschrieben wird. Im Prinzip sollte es daher möglich sein,
Elektronen in quantisierten Bewegungszuständen zu erzeugen, die
tief im Potential des Elektronenleiters liegen. Grundvoraussetzung
dafür ist eine beugungslimitierte Elektronenquelle, sowie ein
Potential, das Elektronen einen sanften Übergang in den
Elektronenleiter erlaubt. In dieser Arbeit zeigen wir, dass mit
Hilfe einer optimierten Einkoppelstruktur und einer gepulsten
Elektronenquelle Elektronen nahezu störungsfrei in das
einschließende Potential überführt werden können. Dies ist eine
wichtige Maßnahme, um Elektronen in weiterführenden Experimenten
direkt in Quantenzustände des Elektronenleiters einzuspeisen.