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Thomas, Sebastian (2016): Interaction-free measurements with electrons and optical field enhancement at nanotips. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

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.

Abstract

Using an interference phenomenon well known from quantum mechanics and often called an "interaction-free measurement", it is possible to detect an object's presence without disturbing the object in any way. The first part of this thesis is about realizing an interaction-free measurement with electrons. If this technique can be integrated into an electron microscope, it could enable a significant reduction of radiation damage during imaging. We discuss different approaches towards the realization of an interaction-free measurement with electrons and the challenges that arise there. One necessary component and the main topic of our discussion is an electron beam splitter. We present a possible approach to realize such a beam splitter based on the control and guiding of an electron beam with microwave fields. Using this beam splitter, we were able to split a slow electron beam with a kinetic energy of approximately 1 eV into two beams. In a simplified quantum-mechanical model, we discuss what properties such a beam splitter must have in order to split electron waves without disturbing them and to allow interaction-free measurements. Additionally, we discuss the application of interaction-free measurements to imaging, in particular the question of measuring and distinguishing gray values. It turns out that the measurement of gray values in the typical interference setup of an interaction-free measurement is possible, but it is only in special cases that the resulting damage to the sample is smaller than in a regular transmission measurement. We also investigate the effect of phase shifts. For samples with both phase shifts and gray levels, interaction-free measurements cause less damage than conventional transmission measurements and Mach-Zehnder interferometers if the samples are highly transparent. Another topic of this thesis is optical field enhancement at nanotips. In numerical simulations over a large range of parameters, we investigate how the strength of the field enhancement depends on the geometry and the material of the nanotip. Our results show that, next to the radius of curvature, the tip's opening angle also has a surprisingly strong effect on the enhancement, which we can explain qualitatively in a simplified model. An application of optical field enhancement is the photoemission of electrons from sharp metal tips. We show experiments for two different types of photoemission: on the one hand, multiphoton photoemission with an erbium fiber laser, and on the other hand, strong-field photoemission with a titanium-sapphire oscillator. Using a new method based on electron rescattering, the latter measurements make it possible to determine the strength of the enhanced near-field in close vicinity to the surface of the tip. The results are in good agreement with our simulations.