Interaction-free measurements with electrons and optical field enhancement at nanotips

Sogenannte wechselwirkungsfreie Messungen sind ein aus der
Quantenmechanik bekanntes Interferenzphänomen, mit dessen Hilfe die
Anwesenheit eines Objekts detektiert werden kann, ohne das Objekt
in irgendeiner Weise zu stören. Der erste Teil dieser Arbeit
befasst sich mit wechselwirkungsfreien Messungen mit Elektronen.
Integriert in ein Mikroskop könnte diese Technik es ermöglichen,
die bei Elektronenmikropskopie auftretenden Strahlenschäden
erheblich zu reduzieren. Es werden verschiedene Ansätze zur
Realisierung von wechselwirkungsfreien Messungen mit Elektronen und
die dabei auftretenden Schwierigkeiten besprochen. Hauptthema
hierbei ist der benötigte Elektronen-Strahlteiler. Wir stellen
einen möglichen Ansatz vor, der auf der Kontrolle und dem
Einschluss eines Elektronenstrahls durch Mikrowellenfelder beruht.
Mit diesem Strahlteiler ist es gelungen, einen langsamen
Elektronenstrahl mit kinetischer Energie von ungefähr 1 eV in zwei
Strahlen zu spalten. Wir diskutieren in einem vereinfachten
quantenmechanischen Modell, welche Eigenschaften ein solcher
Strahlteiler aufweisen muss, um Elektronenwellen ohne Störung zu
teilen und wechselwirkungsfreie Messungen zu ermöglichen. Außerdem
beschäftigen wir uns mit der Anwendung von interaktionsfreien
Messungen in der Bildgebung, insbesondere mit der Frage, inwiefern
sie die Messung und Unterscheidung von Graustufen erlauben. Es
stellt sich heraus, dass die Messung von Graustufen im typischen
Interferenzaufbau einer wechselwirkungsfreien Messung zwar möglich
ist, aber der dabei entstehende Schaden am Messobjekt nur in
speziellen Fällen geringer ist als in einer herkömmlichen
Transmissionsmessung. Wir untersuchen auch den Einfluss von
Phasenverschiebungen. Bei Messobjekten, die Graustufen aufweisen
und Phasenverschiebungen verursachen, können wechselwirkungsfreie
Messungen für Objekte mit hoher Transparenz weniger Schaden
verursachen als konventionelle Transmissionsmessungen und Messungen
mit einem Mach-Zehnder-Interferometer. Ein weiteres Thema dieser
Arbeit ist die optische Feldverstärkung an Nanospitzen. Wir
untersuchen in numerischen Simulationen über einen großen
Parameterbereich, wie die Höhe der Feldverstärkung von der
Geometrie und dem Material der Spitze abhängt. Dabei stellen wir
fest, dass neben dem Krümmungsradius der Spitze auch der
Öffnungswinkel einen überraschend großen Einfluss auf die
Feldverstärkung hat, welchen wir durch ein vereinfachtes Modell
qualitativ erklären können. Anwendung findet die optische
Feldverstärkung in der Photoemission von Elektronen aus scharfen
Metallspitzen. Hierzu zeigen wir Experimente in verschiedenen
Regimes der Photoemission: einerseits Multiphotonenemission mit
einem Erbium-Faserlaser und andererseits Photoemission im
Starkfeldregime mit einem Titan-Saphir-Oszillator. Letztere
Messungen erlauben es, mit Hilfe einer neuen, auf
Elektronen-Rückstreuung beruhenden Methode die optische
Feldverstärkung in unmittelbarer Nähe der Spitzenoberfläche zu
ermitteln. Die so erhaltenen Ergebnisse stimmen gut mit den
Simulationen überein.