Revolution i mikroskopi: Göttingen-forskere kontrollerer elektronstråler!

Revolution i mikroskopi: Göttingen-forskere kontrollerer elektronstråler!

Evnen til at studere stoffets atomare struktur og dynamik bliver løbende forbedret af moderne teknologier. Et banebrydende eksempel er udviklingen af ​​et attosekund elektronmikroskop af professor Peter Baum og hans team ved Universitetet i Konstanz. Denne innovative enhed kan visualisere elektriske oscillationer af lys og muliggør en dyb forståelse af atomers og elektroners bevægelser, som er afgørende for materialets egenskaber. Målingerne over tidsperioder af femtosekunder eller endda attosekunder - trillioner og milliardtedele af et sekund - giver ny indsigt i stofs adfærd baseret på arrangementet af atomer og elektroner.

Tidligere målemetoder var begrænset i deres effektivitet og kunne kun registrere processer, der blev stimuleret af højenergi-laserimpulser. Den nye udvikling planlagt af Baum og hans team, som er finansieret med et ERC Advanced Grant på 3,1 millioner euro, har til formål at overvinde disse begrænsninger. Projektet løber i fem år og er beregnet til at skabe nye elektronmikroskoper, der kan observere komplette scenarier af elektrisk, magnetisk eller på anden måde udløste processer. Ved at bruge specifikt genererede sekvenser og rumlige mønstre af ultrakorte elektronimpulser er målet at opnå en mere omfattende observation af atomær dynamik.

Teknologiske fremskridt inden for elektronmikroskopi

En særlig udfordring er at synliggøre mikroskopiske strukturelle ændringer på korte tidsskalaer. Det nye ultrahurtige transmissionselektronmikroskop (UTEM) vil spille en nøglerolle i denne forskning. Den bruger en "pumpe-touch"-proces med to tidsforsinkede laserimpulser. Den første laserimpuls exciterer prøven, mens den anden genererer en elektronimpuls, der kortlægger dynamikken. Denne teknologi er unik i Tyskland og kan revolutionere den tidligere metode.

UTEM vil drage stor fordel af fremskridtene inden for tidsopløst elektronmikroskopi i løbet af de sidste par årtier. Der har været arbejdet på at forbedre disse teknologier siden 1980'erne, og der er gjort betydelige fremskridt af forskerhold rundt om i verden, såsom i Göttingen, hvor nye kamerasystemer er blevet udviklet siden 2010.

En ny æra af kvantemekaniske målemetoder

Ud over fremskridt inden for elektronmikroskopi har forskere fra Göttingen og Schweiz for nylig med succes manipuleret en elektronstråle ved hjælp af et optisk mikrochipsystem. Disse fund åbner op for nye muligheder for kvantemekaniske målemetoder i elektronmikroskopi. Ved at bruge integrerede fotonik-baserede systemer, der præcist kan rette lys, forbedres interaktioner mellem frie elektroner og fotoner. Dette tillader elektronstrålen at passere gennem det optiske nærfelt af en fotonisk mikroresonator, hvilket resulterer i betydelige ændringer i elektronernes energi.

Dette gør det muligt for elektroner at absorbere flere hundrede fotoner, hvilket udvider anvendeligheden af ​​elektronstrålemanipulation i konventionelle elektronmikroskoper. Denne kombination af elektronmikroskopi og fotonik er af stor betydning for fremskridt inden for områder som materialevidenskab, strukturel biologi og kvantecomputere, da den muliggør billeddannelse og spektroskopi i høj opløsning.

Overordnet set kan man sige, at skiftet i grænserne for, hvad der kan måles gennem innovative teknologier som Baums attosekund-elektronmikroskop og UTEM samt kombinationen med højpræcisionsfotonik, indleder en ny æra af materialeforskning, hvor de dynamiske processer på atomniveau bliver mere og mere tydelige.