Революция в микроскопията: Изследователи от Гьотинген контролират електронни лъчи!

Революция в микроскопията: Изследователи от Гьотинген контролират електронни лъчи!

Способността за изучаване на атомната структура и динамиката на материята непрекъснато се подобрява от съвременните технологии. Революционен пример е разработването на атосекунден електронен микроскоп от професор Питър Баум и неговия екип от Университет Констанц. Това иновативно устройство може да визуализира електрическите трептения на светлината и дава възможност за дълбоко разбиране на движенията на атомите и електроните, които са от решаващо значение за свойствата на материала. Измерванията за периоди от време от фемтосекунди или дори атосекунди – трилионни и милиардни от секундата – предлагат нови прозрения за поведението на материята въз основа на подреждането на атомите и електроните.

Предишните методи за измерване бяха ограничени по своята ефективност и можеха да записват само процеси, които бяха стимулирани от високоенергийни лазерни импулси. Новата разработка, планирана от Баум и неговия екип, която е финансирана с ERC Advanced Grant от 3,1 милиона евро, има за цел да преодолее тези ограничения. Проектът ще продължи пет години и има за цел да създаде нови електронни микроскопи, които могат да наблюдават пълни сценарии на електрически, магнитни или други задействани процеси. Чрез използването на специално генерирани последователности и пространствени модели на ултракъси електронни импулси, целта е да се постигне по-всеобхватно наблюдение на атомната динамика.

Технологичен напредък в електронната микроскопия

Специално предизвикателство е да се направят видими микроскопични структурни промени в кратки времеви мащаби. Новият свръхбърз трансмисионен електронен микроскоп (UTEM) ще играе ключова роля в това изследване. Той използва процес "pump-touch" с два забавени във времето лазерни импулса. Първият лазерен импулс възбужда пробата, докато вторият генерира електронен импулс, който картографира динамиката. Тази технология е уникална в Германия и може да революционизира предишната методология.

UTEM ще се възползва значително от напредъка в електронната микроскопия с разделителна способност през последните няколко десетилетия. Работи се за подобряване на тези технологии от 80-те години на миналия век и е постигнат значителен напредък от изследователски екипи по целия свят, като например в Гьотинген, където от 2010 г. насам са разработени нови системи за камери.

Нова ера на квантово-механичните методи за измерване

В допълнение към напредъка в електронната микроскопия, изследователи от Гьотинген и Швейцария наскоро успешно манипулираха електронен лъч, използвайки оптична микрочипова система. Тези открития разкриват нови възможности за квантово-механични методи за измерване в електронната микроскопия. Чрез използването на интегрирани базирани на фотоника системи, които могат прецизно да насочват светлината, взаимодействията между свободните електрони и фотоните се подобряват. Това позволява на електронния лъч да премине през оптичното близко поле на фотонен микрорезонатор, което води до значителни промени в енергията на електроните.

Това позволява на електроните да абсорбират няколкостотин фотона, разширявайки приложимостта на манипулирането на електронния лъч в конвенционалните електронни микроскопи. Тази комбинация от електронна микроскопия и фотоника е от голямо значение за напредъка в области като науката за материалите, структурната биология и квантовите изчисления, тъй като позволява изображения с висока разделителна способност и спектроскопия.

Като цяло може да се каже, че изместването на границите на това, което може да бъде измерено чрез иновативни технологии като атосекундния електронен микроскоп на Baum и UTEM, както и комбинацията с високопрецизна фотоника, поставя началото на нова ера на изследване на материалите, в която динамичните процеси на атомно ниво стават все по-ясни.