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Hammer, Jakob (2014): A microwave chip-based beamsplitter for guided low-energy electrons. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

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.

Abstract

This work reports on the manipulation of slow electrons in free space using a microwave quadrupole guide. The generation of the electric fields by means of a planar microwave chip provides an entirely new electron toolkit that allows the guidance and steerage of electrons with kinetic energies below 10 eV. As a key feature, this chip-based technology combines the flexibility to engineer microstructured guiding potentials in the near-field of the microwave excitation with tight transverse confinement of the guided electrons. This renders planar guiding structures ideally suited for the implementation of electron beam splitters or resonators with prospects for novel quantum optics experiments with guided electrons. We present an experiment that demonstrates, for the first time, the realization of a chip-based beam splitter for low-energy electrons. Crucial for the success of the experiment is the generation of a finely structured beam splitter potential and the operation at drive frequencies in the gigahertz range. We report on the design of an optimized microwave chip that generates a beam splitter guiding potential by gradually transforming from a single-well harmonic confinement into a double well along the chip. In the experiment we observe an electron signal with two symmetrically split up output beams. Furthermore we find that with increasing electron kinetic energy, electron loss starts to dominate the electron signal for energies above 3 eV. To this end, we present results of wave-optical simulations that further optimize the guiding potential to reduce excitations in the electron motion as an adverse effect of the splitting process. A second main result of this thesis is the construction and experimental characterization of an electron gun that is based on a nanotip electron emitter. It is specifically designed to provide a pulsed, diffraction-limited electron beam for injection into the guide. We prove that photoemitted electron beams from a laser-triggered nanotip are spatially highly coherent using an electron interference setup. This finding is of importance for all time-resolved applications that employ coherent electron beams from a laser-triggered nanotip. Unprecedented spatial and temporal control over guided electrons can be achieved when combining this coherent laser-triggered electron source with a microwave electron guide. The transverse guiding potential naturally provides discretized motional quantum states that govern the dynamics of guided electrons. Ultimately, it should be possible to directly inject electrons into low-lying motional quantum states of the guiding potential. As prerequisites, this necessitates a diffraction-limited electron gun and a guiding potential that provides electrons a smooth passage into the guide. Therefore, we employ an optimized coupling electrode structure as well as a pulsed electron source to demonstrate experimentally that electron excitations at the guide entrance can be greatly reduced. This paves the way towards the direct injection of electrons into motional quantum states of the guide.