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Hoffrogge, Johannes Philipp (2012): A surface-electrode quadrupole guide for electrons. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

This thesis reports on the design and first experimental realization of a surface-electrode quadrupole guide for free electrons. The guide is based on a miniaturized, planar electrode layout and is driven at microwave frequencies. It confines electrons in the near-field of the microwave excitation, where strong electric field gradients can be generated without resorting to resonating structures or exceptionally high drive powers. The use of chip-based electrode geometries allows the realization of versatile, microstructured potentials with the perspective of novel quantum experiments with guided electrons. I present the design, construction and operation of an experiment that demonstrates electron confinement in a planar quadrupole guide for the first time. To this end, electrons with kinetic energies from one to ten electron-volts are guided along a curved electrode geometry. The stability of electron guiding as a function of drive parameters and electron energy has been studied. A comparison with numerical particle tracking simulations yields good qualitative agreement and provides a deeper understanding of the electron dynamics in the guiding potential. Furthermore, this thesis gives a detailed description of the design of the surface-electrode layout. This includes the development of an optimized coupling structure to inject electrons into the guide with minimum transverse excitation. I also discuss the extension of the current setup to longitudinal guide dimensions that are comparable to or larger than the wavelength of the drive signal. This is possible with a modified electrode layout featuring elevated signal conductors. Electron guiding in the field of a planar, microfabricated electrode layout allows the generation of versatile and finely structured guiding potentials. One example would be the realization of junctions that split and recombine a guided electron beam. Furthermore, it should be possible to prepare electrons in low-lying quantum mechanical oscillator states of the transverse guiding potential by matching an incoming electron beam to the wave functions of these states.

Abstract

Thema dieser Arbeit ist der Entwurf und die experimentelle Realisierung eines Quadrupolleiters für freie Elektronen. Dieser basiert auf einer miniaturisierten, planaren Elektrodenkonfiguration und wird mit einem Mikrowellensignal betrieben. Der Elektroneneinschluß findet im Nahfeld der Mikrowellenanregung statt. Dort lassen sich hohe elektrische Feldgradienten mit moderaten Spannungen erzeugen, ohne Resonatoren zur Spannungsüberhöhung verwenden zu müssen. Der Einsatz von mikrofabrizierten Elektrodengeometrien erlaubt es, vielfältige Potentiallandschaften zu erzeugen, die auf kleinen Skalen strukturiert werden können. Dies eröffnet die Perspektive, neuartige Quantenexperimente mit freien Elektronen zu realisieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Experiment entworfen, aufgebaut und ausgeführt, das zum ersten Mal den Einschluß freier Elektronen in einem miniaturisierten Quadrupolleiter demonstriert. Langsame Elektronen mit Energien von einem bis zu zehn Elektronenvolt werden hierzu entlang einer gebogenen Elektrodenstruktur geführt. Um das Fallenpotential zu charakterisieren, wurde die Stabilität der Elektronenbewegung in Abhängigkeit der Treiberparameter und der Elektronenenergie untersucht. Die Ergebnisse stimmen qualitativ gut mit numerischen Simulationen der Teilchentrajektorien überein, was zu einem tieferen Verständnis der Elektronendynamik im Leiterpotential führt. In der vorliegenden Arbeit wird außerdem der Entwurf der verwendeten Elektrodengeometrie detailliert beschrieben. Dies beinhaltet die Entwicklung einer optimierten Einkoppelstruktur, welche es erlaubt, Elektronen unter geringer transversaler Anregung in das Quadrupolpotential einzuspeisen. Ich beschreibe auch eine mögliche Erweiterung des momentanen Aufbaus um Strukturen, deren Länge vergleichbar mit oder größer als die Wellenlänge des Treibersignals ist. Dies läßt sich mit einer modifizierten Elektrodengeometrie erreichen, die aus erhöhten Signalleitern über einer geerdeten Fläche besteht. Ein Beispiel für die vielfältigen Potentiale für Elektronen, die mit mikrostrukturierten Elektrodengeometrien erzeugt werden könnten, sind Strahlteiler zum Aufspalten und anschließenden Zusammenführen eines eingeschlossenen Elektronenstrahls. Außerdem sollte es möglich sein, Elektronen in niedrigliegenden quantenmechanischen Zuständen des transversalen Potentials zu präparieren, indem der einfallende Elektronenstrahl an die Wellenfunktionen der geführten Elektronen angepaßt wird.