China: Durchbruch - Elektronenstrahlen mit beispielloser Effizienz
Mo., 20. März 2023
China — Ein Forschungsteam unter chinesischer Leitung hat leistungsstarke Elektronenstrahlen mit beispielloser Effizienz erzeugt.
Dies ist ein wissenschaftlicher Durchbruch, der Albert Einsteins Nobelpreistheorie neu schreiben könnte, so ein neues Papier.
Im März 1905 veröffentlichte Einstein eine Arbeit zur Erklärung des photoelektrischen Effekts.
Wenn Licht auf ein bestimmtes Material fällt, können Elektronen von dessen Oberfläche emittiert werden.
Dieses Phänomen hat den Menschen geholfen, die Quantennatur von Licht und Elektronen zu verstehen.
Ein Jahrhundert verging, und die Theorie wurde zur Grundlage für viele moderne Technologien, die auf der Erkennung von Licht oder der Erzeugung von Elektronenstrahlen beruhen.
Hochenergetische Elektronenstrahlen wurden in großem Umfang zur Analyse von Kristallstrukturen, zur Krebsbehandlung, zur Abtötung von Bakterien und zur Bearbeitung von Legierungen eingesetzt.
Die meisten Materialien, die Photonen in Elektronen umwandeln, die so genannten Photokathoden, wurden jedoch erst vor etwa 60 Jahren entdeckt.
Alle Photokathoden haben einen Fehler: Die von ihnen erzeugten Elektronen sind in Winkel und Geschwindigkeit gestreut.
Durch die Verwendung eines neuen Materials konnten He Ruihua von der Westlake University in Hangzhou in der ostchinesischen Provinz Zhejiang und sein Team diesen Defekt überwinden und konzentrierte Elektronen erzeugen. Die Entdeckung von Forschern aus China, Japan und den USA könnte das Energieniveau eines erfassten Elektronenstrahls um mindestens eine Größenordnung anheben.
Die Arbeit des Teams wurde am 8. März in der von Fachleuten begutachteten Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Sie verwendeten Strontiumtitanat (SrTiO3), ein Quantenmaterial mit einer Vielzahl interessanter Eigenschaften.
Die Elektronenstrahlen, die nach der Anregung von SrTiO3 entstanden, erzeugten Elektronenstrahlen mit gleichbleibender Qualität — auch Kohärenz genannt.
“Die Kohärenz ist wichtig für den Strahl, sie bündelt den Fluss wie ein Rohr am Wasserhahn. Ohne dieses Rohr spritzt das Wasser überall hin, wenn der Wasserhahn weit geöffnet ist. Ohne Kohärenz streuen die Elektronen”, sagt Hong Caiyun, einer der Autoren der Studie.
"Mit der Kohärenz, die wir erreicht haben, können wir die Strahlintensität erhöhen, während der Strahl seine Richtung beibehält."
Die Intensität der Photoemission von SrTiO3 ist stark erhöht.
"Diese außergewöhnliche Leistung deutet auf eine neuartige Physik hin, die über den gut etablierten theoretischen Rahmen für die Photoemission hinausgeht", so Hong.
Die Entdeckung hat das Team dazu veranlasst, eine neue Theorie zu finden, um die unvergleichliche Kohärenz zu erklären.
"Wir haben eine Erklärung gefunden, die den ursprünglichen theoretischen Rahmen von Einstein ergänzt. Sie ist in einer anderen Arbeit enthalten, die gerade überarbeitet wird", sagte Professor He.
Mitautor Arun Bansil von der Northeastern University in den USA begrüßte die Entdeckung in einem Bericht von Phys.org.
"Das ist eine große Sache, denn es gibt keinen Mechanismus in unserem derzeitigen Verständnis der Photoemission, der einen solchen Effekt erzeugen kann. Mit anderen Worten, wir haben derzeit keine Theorie dafür, also ist es in diesem Sinne ein wunderbarer Durchbruch", sagte Bansil.
Laut Hong sagt die neue Theorie eine ganze Reihe von Materialien mit denselben photoemittierenden Eigenschaften wie SrTiO3 voraus.
"SrTiO3 ist das erste Beispiel für eine grundlegend neue Klasse von Photokathoden-Quantenmaterialien. Es eröffnet neue Perspektiven für Anwendungen, die intensive Elektronenstrahlen erfordern", sagte sie.
Das Forscherteam äußerte sich weder in seinem Papier noch in Interviews zu der Frage, ob hochenergetische Elektronenstrahlen in Waffen eingesetzt werden könnten.
Professor He sagte, dass die Entdeckung aus ihrer Konzentration auf eine traditionelle Technologie, die winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie (Arpes), resultierte.
Arpes wird häufig zur Untersuchung von Elektronenstrukturen in festen Materialien eingesetzt.
Sie misst die Energie und den Emissionswinkel von Photoelektronen.
"In den vergangenen Jahrzehnten nutzten Physik- und Materialwissenschaftler Arpes hauptsächlich zur Untersuchung der elektronischen Strukturen, die mit den optischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften zusammenhängen. Unser Team hat eine unkonventionelle Konfiguration von Arpes angepasst und einen anderen Teil gemessen, der mehr mit dem photoelektrischen Effekt zu tun hat", sagte er.
"Während des Tests haben wir die ungewöhnlichen Photoemissionseigenschaften von SrTiO3 entdeckt. Bisher wurden Quantenoxidmaterialien, die Strontiumtitanat darstellen, hauptsächlich als Ersatz für Halbleiter untersucht und werden derzeit in den Bereichen Elektronik und Photokatalyse eingesetzt."
"Das Material wird in Zukunft sicherlich vielversprechend auf dem Gebiet der Photokathode sein."
