ثورة في المجهر: باحثو غوتنغن يتحكمون في حزم الإلكترونات!

ثورة في المجهر: باحثو غوتنغن يتحكمون في حزم الإلكترونات!

يتم باستمرار تحسين القدرة على دراسة التركيب الذري وديناميكيات المادة من خلال التقنيات الحديثة. ومن الأمثلة الرائدة على ذلك تطوير مجهر الأتوثانية الإلكتروني بواسطة البروفيسور بيتر باوم وفريقه في جامعة كونستانز. يمكن لهذا الجهاز المبتكر تصور التذبذبات الكهربائية للضوء ويتيح فهمًا عميقًا لحركات الذرات والإلكترونات، والتي تعتبر ضرورية لخصائص المواد. تقدم القياسات على فترات زمنية للفيمتو ثانية أو حتى الأتو ثانية - تريليون ومليار من الثانية - رؤى جديدة حول سلوك المادة بناءً على ترتيب الذرات والإلكترونات.

كانت طرق القياس السابقة محدودة في فعاليتها ولم تتمكن إلا من تسجيل العمليات التي تم تحفيزها بواسطة نبضات ليزر عالية الطاقة. ويهدف التطوير الجديد الذي خطط له باوم وفريقه، والذي تم تمويله بمنحة متقدمة من ERC بقيمة 3.1 مليون يورو، إلى التغلب على هذه القيود. سيستمر المشروع لمدة خمس سنوات ويهدف إلى إنشاء مجاهر إلكترونية جديدة يمكنها مراقبة سيناريوهات كاملة للعمليات الكهربائية أو المغناطيسية أو غيرها. وباستخدام التسلسلات والأنماط المكانية المولدة خصيصًا لنبضات الإلكترون فائقة القصر، فإن الهدف هو تحقيق مراقبة أكثر شمولاً للديناميكيات الذرية.

التقدم التكنولوجي في المجهر الإلكتروني

ويتمثل التحدي الخاص في جعل التغييرات الهيكلية المجهرية مرئية على نطاقات زمنية قصيرة. سيلعب المجهر الإلكتروني فائق السرعة الجديد (UTEM) دورًا رئيسيًا في هذا البحث. إنها تستخدم عملية "اللمس بالمضخة" مع نبضتين ليزر متأخرتين زمنياً. تثير نبضة الليزر الأولى العينة، بينما تولد الثانية نبضة إلكترونية تحدد الديناميكيات. هذه التكنولوجيا فريدة من نوعها في ألمانيا ويمكن أن تحدث ثورة في المنهجية السابقة.

سوف يستفيد UTEM بشكل كبير من التقدم في المجهر الإلكتروني الذي تم حله بمرور الوقت على مدى العقود القليلة الماضية. لقد بدأ العمل على تحسين هذه التقنيات منذ الثمانينيات، وقد تم إحراز تقدم كبير من قبل فرق البحث في جميع أنحاء العالم، كما هو الحال في غوتنغن، حيث تم تطوير أنظمة الكاميرا الجديدة منذ عام 2010.

حقبة جديدة من طرق القياس الميكانيكية الكمومية

بالإضافة إلى التقدم في المجهر الإلكتروني، نجح باحثون من غوتنغن وسويسرا مؤخرًا في معالجة شعاع إلكتروني باستخدام نظام الرقائق الضوئية. تفتح هذه النتائج إمكانيات جديدة لطرق القياس الميكانيكية الكمومية في المجهر الإلكتروني. وباستخدام أنظمة متكاملة قائمة على الضوئيات يمكنها توجيه الضوء بدقة، تم تحسين التفاعلات بين الإلكترونات الحرة والفوتونات. يسمح هذا لشعاع الإلكترون بالمرور عبر المجال البصري القريب للمرنان الفوتوني الدقيق، مما يؤدي إلى تغييرات كبيرة في طاقة الإلكترونات.

وهذا يسمح للإلكترونات بامتصاص عدة مئات من الفوتونات، مما يزيد من إمكانية تطبيق معالجة شعاع الإلكترون في المجاهر الإلكترونية التقليدية. يعد هذا المزيج من المجهر الإلكتروني والضوئيات ذا أهمية كبيرة للتقدم في مجالات مثل علوم المواد والبيولوجيا الهيكلية والحوسبة الكمومية، لأنه يتيح التصوير والتحليل الطيفي عالي الدقة.

بشكل عام، يمكن القول أن التحول في حدود ما يمكن قياسه من خلال التقنيات المبتكرة مثل مجهر باوم الإلكتروني الأتوثانية وUTEM بالإضافة إلى الدمج مع الضوئيات عالية الدقة يبشر بعصر جديد من أبحاث المواد التي أصبحت فيها العمليات الديناميكية على المستوى الذري واضحة بشكل متزايد.