Revoluce v mikroskopii: Göttingenští vědci ovládají elektronové paprsky!

Revoluce v mikroskopii: Göttingenští vědci ovládají elektronové paprsky!

Schopnost studovat atomovou strukturu a dynamiku hmoty neustále zdokonalují moderní technologie. Převratným příkladem je vývoj attosekundového elektronového mikroskopu profesorem Peterem Baumem a jeho týmem Univerzita v Kostnici. Toto inovativní zařízení dokáže vizualizovat elektrické oscilace světla a umožňuje hluboké pochopení pohybů atomů a elektronů, které jsou klíčové pro vlastnosti materiálu. Měření v časových obdobích femtosekund nebo dokonce attosekund – biliontin a miliardtin sekundy – nabízejí nový pohled na chování hmoty na základě uspořádání atomů a elektronů.

Předchozí metody měření byly ve své účinnosti omezené a mohly zaznamenávat pouze procesy, které byly stimulovány vysokoenergetickými laserovými pulzy. Cílem nového vývoje plánovaného Baumem a jeho týmem, který je financován z grantu ERC Advanced Grant ve výši 3,1 milionu eur, je tato omezení překonat. Projekt potrvá pět let a jeho cílem je vytvořit nové elektronové mikroskopy, které dokážou pozorovat kompletní scénáře elektricky, magneticky nebo jinak spouštěných procesů. Pomocí specificky generovaných sekvencí a prostorových vzorů ultrakrátkých elektronových pulsů je cílem dosáhnout komplexnějšího pozorování atomové dynamiky.

Technologický pokrok v elektronové mikroskopii

Zvláštní výzvou je zviditelnit mikroskopické strukturální změny v krátkém časovém měřítku. Klíčovou roli v tomto výzkumu bude hrát nový ultrarychlý transmisní elektronový mikroskop (UTEM). Využívá proces „pump-touch“ se dvěma časově zpožděnými laserovými pulzy. První laserový pulz excituje vzorek, zatímco druhý generuje elektronový pulz, který mapuje dynamiku. Tato technologie je v Německu unikátní a může způsobit revoluci v předchozí metodice.

UTEM bude mít velký prospěch z pokroků v časově rozlišené elektronové mikroskopii za posledních několik desetiletí. Od 80. let 20. století se pracuje na zlepšení těchto technologií a výzkumné týmy po celém světě dosáhly významného pokroku, například v Göttingenu, kde se od roku 2010 vyvíjejí nové kamerové systémy.

Nová éra metod kvantově mechanického měření

Kromě pokroků v elektronové mikroskopii nedávno vědci z Göttingenu a Švýcarska úspěšně manipulovali s elektronovým paprskem pomocí systému optických mikročipů. Tyto poznatky otevírají nové možnosti pro metody kvantově mechanického měření v elektronové mikroskopii. Použitím integrovaných systémů na bázi fotoniky, které dokážou přesně směrovat světlo, se zlepší interakce mezi volnými elektrony a fotony. To umožňuje, aby elektronový paprsek prošel optickým blízkým polem fotonického mikrorezonátoru, což má za následek významné změny v energii elektronů.

To umožňuje elektronům absorbovat několik stovek fotonů, čímž se rozšiřuje použitelnost manipulace s elektronovým paprskem v konvenčních elektronových mikroskopech. Tato kombinace elektronové mikroskopie a fotoniky má velký význam pro pokroky v oblastech, jako je materiálová věda, strukturní biologie a kvantové výpočty, protože umožňuje zobrazování a spektroskopii s vysokým rozlišením.

Celkově lze říci, že posun v mezích toho, co lze měřit pomocí inovativních technologií, jako je Baumův attosekundový elektronový mikroskop a UTEM, stejně jako kombinace s vysoce přesnou fotonikou, ohlašuje novou éru materiálového výzkumu, ve které jsou dynamické procesy na atomární úrovni stále jasnější.