Beugung hochenergetischer Elektronen macht die 3D-Struktur von Materialien sichtbar

30. April 2026

Foto: REGAE-Gruppe/DESY

Dieses Beugungsbild des Quantummaterials1T-TaS2 wurde am REGAE-Beschleuniger mit MeV-Elektronen aufgenommen.

An DESYs Elektronenbeschleuniger REGAE haben Forschende, darunter CUI-Mitglied Henry Chapman, eine neue Methode zur Strukturuntersuchung entwickelt: Mit ihr lässt sich die detaillierte atomare Struktur von Materialien mithilfe von hochenergetischen Elektronen bestimmen, die an der Probe gebeugt werden. Die Technik, die das Team in der Zeitschrift IUCrJ der International Union of Crystallography beschreibt, ermöglicht es erstmals, die hohe Empfindlichkeit der Elektronenbeugung auf dickere Proben anzuwenden, die mit herkömmlicher Elektronenbeugung bisher nicht untersucht werden konnten.

Die Elektronenbeugung ist eine vielversprechende und sich rasch entwickelnde Methode zur hochauflösenden Strukturbestimmung, insbesondere für strahlungsempfindliche Materialien, Proben im Nanometerbereich oder Proben, von denen nur extrem geringe Mengen zur Verfügung stehen. Aufgrund der starken Wechselwirkung der Elektronen mit der Probe ist die herkömmliche Elektronenbeugung jedoch auf die Untersuchung sehr dünner Proben mit einer Dicke von typischerweise unter 200 Nanometern begrenzt. Diese Einschränkung verhindert derzeit eine breitere Anwendung der Methode. Das Team am Beschleuniger REGAE (Relativistic Electron Gun for Atomic Exploration) hat diesen Mangel nun überwunden und konnte Strukturdaten von wesentlich dickeren Proben in sehr hoher Qualität gewinnen, wie sie sonst nur mit Röntgenstrahlung an Synchrotronlichtquellen erreichbar sind. Sie nutzten den Beschleuniger, um ultrakurze Elektronenimpulse mit Energien im Mega-Elektronenvolt-Bereich (MeV) zu erzeugen. In Kombination mit weiteren Innovationen, wie einem speziell entwickelten Messaufbau und einem hochempfindlichen Detektor, konnten die Wissenschaftler die dreidimensionalen Strukturen des Quantenmaterials 1T-TaS₂ und des Schichtsilikats bestimmen.

„Dies ist das erste Mal, dass die Hochenergie-Elektronenbeugung genutzt wurde, um vollständige 3D-Atomstrukturen in dieser Detailtiefe zu bestimmen“, sagt DESY-Forscher Vincent Hennicke, Erstautor der Studie. Die Ergebnisse zeigen, dass selbst winzige Strukturmerkmale, wie die hochkomplexe Struktur des Quantenmaterials 1T-TaS₂, mit hoher Genauigkeit aufgelöst werden können. Besonders bemerkenswert ist dabei auch die extrem gute Sichtbarkeit des Wasserstoffatoms in der Muskovitstruktur, die sonst nur mit der deutlich komplexeren Methode der Neutronenbeugung so detailliert bestimmt werden kann. 

„Das Verständnis der atomaren Struktur ist für die Entwicklung neuer Materialien unerlässlich“, sagt Paul Klar (Universität Bremen), einer der Hauptautoren. „Unsere Methode ermöglicht es uns, Proben zu analysieren, die bisher mit Elektronenbeugung nur schwer oder gar nicht zu untersuchen waren.“

Ultrakurze Elektronenpulse mit sehr geringer Emittanz

Ein Schlüssel zum Erfolg ist die außergewöhnliche Qualität des bei REGAE erzeugten Elektronenstrahls. Der Beschleuniger liefert ultrakurze Elektronenpulse mit sehr geringer Emittanz, also einer besonders guten Bündelung, was zu hochkohärenten Strahlen führt.

„Die geringe Emittanz des Strahls ist entscheidend für die Erzielung der notwendigen Kohärenz, die für die hohe Auflösung erforderlich ist“, erklärt Klaus Flöttmann, DESY-Beschleunigerphysiker und Mitautor der Publikation. „Diese Strahlqualität ermöglicht es uns, Beugungsdaten mit der für eine zuverlässige Strukturbestimmung erforderlichen Präzision aufzuzeichnen.“ 

Die neue Technik ergänzt bestehende großtechnische Forschungsinfrastrukturen wie Synchrotronstrahlungsquellen und Röntgenlaser. „Die beschleunigerbasierte Elektronenbeugung wird zu einer wichtigen Ergänzung unseres Portfolios“, sagt Wim Leemans, Direktor des Beschleunigerbereichs bei DESY. „Es bietet neue experimentelle Möglichkeiten, die Messungen an sehr verdünnten und dünnen Proben ermöglichen, und kann unsere analytischen Fähigkeiten erheblich erweitern.“

Nach diesen ersten, vielversprechenden Ergebnissen arbeiten die beteiligten Wissenschaftler:innen nun daran, die experimentellen Möglichkeiten von REGAE weiter auszubauen. Mit einem neuen Lasersystem, dessen Installation für diesen Sommer geplant ist, wird es möglich sein, dynamische Prozesse – wie beispielsweise Schaltvorgänge in Quantenmaterialien – auf atomarer Ebene mit einer Zeitauflösung im Femtosekundenbereich zu beobachten. „In Zukunft wollen wir dies mit zeitaufgelösten Messungen kombinieren, um strukturelle Veränderungen in Echtzeit zu beobachten“, sagt Meents.

Ein neuer Experimentieraufbau für Operando-Experimente und Katalyseforschung, der derzeit vom REGAE-Team entwickelt wird, soll zu einem besseren Verständnis des Einflusses von Wasserstoff und anderen leichten Atomen in biologischen und chemischen Prozessen beitragen – eine Rolle, die für viele biologische und chemische Prozesse von großer Bedeutung ist und bislang noch nicht vollständig verstanden wird. Text: DESY, red. 

Originalpublikation

V. Hennicke, A. Meents, H. Chapman et al. 

3D atomic structure determination with ultrashort-pulse MeV electron diffraction

Eletrocnic Chrystallagropy (2026)

DOI: 10.1107/S2052252526002782