Stehende Lichtwellen beugen Elektronenstrahl

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Einem Physikerteam der Universität von Nebraska-Lincoln in den Vereinigten Staaten ist es gelungen, die Beugung eines Elektronenstrahls an einer stehenden Lichtwelle erstmals experimentell genau zu beobachten. Dieser Durchbruch stellt die spektakuläre Bestätigung einer im Jahre 1933 von Paul Dirac und Peter Kapitza aufgestellten Theorie dar. Die Wissenschaftler haben ihre Arbeit bereits im September letzten Jahres in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Die Resultate sind bisher jedoch nur wenig in der Öffentlichkeit diskutiert worden.

Das Experiment der Gruppe um Daniel Freimund untersuchte die extrem schwache Wechselwirkung eines Elektronenstrahls mit so genannten stehenden Lichtwellen. Zur Erzeugung dieser im Raum fixierten elektromagnetischen Wellen überlagerten die Wissenschaftler zwei von ein und demselben Laser erzeugten Lichtimpulse. Die Interferenz der Wellenzüge der Impulse erzeugte daraufhin eine stehende Welle: Die Berge und Täler der elektromagnetischen Wellen standen am Ort der Überlagerung still.

Auf diese nur einen Durchmesser von 125 Mikrometern messende stehende Welle schossen die Forscher nun einen Elektronenstrahl. Die Elektronen dieses Strahles konnten so mit der stehenden Lichtwelle durch den Austausch einer geraden Anzahl von virtuellen Photonen wechselwirken. Dies führte zu einer Beugung des Elektronenstrahles: Einzelne seiner Elektronen wurden aus ihrer geradlinigen Bewegungsrichtung abgelenkt. Eine Untersuchung der räumlichen Verteilung der Elektronen mittels eines Detektors ergab in der Tat ein aus der Optik bekanntes Beugungsmuster: Die Elektronen wurden durch die Wechselwirkung mit der stehenden Welle bevorzugt in bestimmte Raumrichtungen abgelenkt.

Dieses Experiment stellt damit die erste experimentelle Bestätigung der so genannten Kapitza-Dirac Beugungsmaxima dar. Diese beiden am Aufbau der modernen Quantenmechanik beteiligten Physiker hatten im Jahre 1933 vorhergesagt, dass die Welleneigenschaften von Elektronen nicht nur zu der zuvor beobachteten Beugung eines Elektronenstrahles an Kristallen, sondern auch an Lichtwellen führen sollten.

Die elastische Streuung von Elektronen an Lichtwellen wurde erst in den sechziger Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts beobachtet. Eine Bestätigung des vorhergesagten Beugungsmusters ließ allerdings bis zur Veröffentlichung der hier beschriebenen Arbeit auf sich warten.

Die Kapitza-Dirac Elektronenbeugung ist im Gegensatz zum so genannten Compton-Effekt ein elastischer Vorgang, bei der die Energie des Elektronenstrahles unverändert bleibt. Der Grund für die späte experimentelle Bestätigung dieses Effektes liegt in der extrem schwachen Wechselwirkung zwischen freien Elektronen und Lichtwellen. Dies machte den Einsatz von leistungsstarken Lasern mit einer Pulsenergie von mehr als 0.2 Joule und Pulsdauern von wenigen Nanosekunden sowie eine komplizierte Fokussierungsapparatur notwendig.

Stefan Maier

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