Επανάσταση στη μικροσκοπία: Οι ερευνητές του Γκέτινγκεν ελέγχουν τις δέσμες ηλεκτρονίων!

Επανάσταση στη μικροσκοπία: Οι ερευνητές του Γκέτινγκεν ελέγχουν τις δέσμες ηλεκτρονίων!

Η ικανότητα μελέτης της ατομικής δομής και της δυναμικής της ύλης βελτιώνεται συνεχώς από τις σύγχρονες τεχνολογίες. Ένα πρωτοποριακό παράδειγμα είναι η ανάπτυξη ενός ηλεκτρονικού μικροσκοπίου attosecond από τον καθηγητή Peter Baum και την ομάδα του στο Πανεπιστήμιο της Konstanz. Αυτή η καινοτόμος συσκευή μπορεί να απεικονίσει τις ηλεκτρικές ταλαντώσεις του φωτός και επιτρέπει τη βαθιά κατανόηση των κινήσεων των ατόμων και των ηλεκτρονίων, που είναι ζωτικής σημασίας για τις ιδιότητες του υλικού. Οι μετρήσεις σε χρονικές περιόδους femtoseconds ή ακόμα και attoseconds - τρισεκατομμυριοστά και δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου - προσφέρουν νέες ιδέες για τη συμπεριφορά της ύλης με βάση τη διάταξη των ατόμων και των ηλεκτρονίων.

Οι προηγούμενες μέθοδοι μέτρησης ήταν περιορισμένες στην αποτελεσματικότητά τους και μπορούσαν να καταγράψουν μόνο διαδικασίες που διεγείρονταν από παλμούς λέιζερ υψηλής ενέργειας. Η νέα ανάπτυξη που σχεδιάζει ο Baum και η ομάδα του, η οποία χρηματοδοτείται με προηγμένη επιχορήγηση ERC ύψους 3,1 εκατομμυρίων ευρώ, στοχεύει να ξεπεράσει αυτούς τους περιορισμούς. Το έργο θα διαρκέσει πέντε χρόνια και προορίζεται να δημιουργήσει νέα ηλεκτρονικά μικροσκόπια που θα μπορούν να παρατηρούν πλήρη σενάρια ηλεκτρικά, μαγνητικά ή άλλως πυροδοτούμενων διεργασιών. Χρησιμοποιώντας ειδικά δημιουργημένες ακολουθίες και χωρικά μοτίβα υπερμικρών παλμών ηλεκτρονίων, ο στόχος είναι να επιτευχθεί μια πιο ολοκληρωμένη παρατήρηση της ατομικής δυναμικής.

Τεχνολογικές εξελίξεις στην ηλεκτρονική μικροσκοπία

Μια ιδιαίτερη πρόκληση είναι να γίνουν ορατές μικροσκοπικές δομικές αλλαγές σε σύντομες χρονικές κλίμακες. Το νέο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο υπερταχείας μετάδοσης (UTEM) θα παίξει βασικό ρόλο σε αυτή την έρευνα. Χρησιμοποιεί μια διαδικασία "αντλίας-αφής" με δύο παλμούς λέιζερ με χρονική καθυστέρηση. Ο πρώτος παλμός λέιζερ διεγείρει το δείγμα, ενώ ο δεύτερος δημιουργεί έναν παλμό ηλεκτρονίων που χαρτογραφεί τη δυναμική. Αυτή η τεχνολογία είναι μοναδική στη Γερμανία και μπορεί να φέρει επανάσταση στην προηγούμενη μεθοδολογία.

Το UTEM θα ωφεληθεί πολύ από τις προόδους στην ηλεκτρονική μικροσκοπία με χρονική ανάλυση τις τελευταίες δεκαετίες. Έχουν ξεκινήσει εργασίες για τη βελτίωση αυτών των τεχνολογιών από τη δεκαετία του 1980 και έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος από ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο, όπως στο Göttingen, όπου αναπτύχθηκαν νέα συστήματα κάμερας από το 2010.

Μια νέα εποχή των μεθόδων κβαντομηχανικής μέτρησης

Εκτός από την πρόοδο στην ηλεκτρονική μικροσκοπία, ερευνητές από το Γκέτινγκεν και την Ελβετία χειρίστηκαν πρόσφατα με επιτυχία μια δέσμη ηλεκτρονίων χρησιμοποιώντας ένα οπτικό σύστημα μικροτσίπ. Αυτά τα ευρήματα ανοίγουν νέες δυνατότητες για μεθόδους κβαντομηχανικής μέτρησης στην ηλεκτρονική μικροσκοπία. Με τη χρήση ολοκληρωμένων συστημάτων που βασίζονται σε φωτονικά που μπορούν να κατευθύνουν με ακρίβεια το φως, βελτιώνονται οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ ελεύθερων ηλεκτρονίων και φωτονίων. Αυτό επιτρέπει στη δέσμη ηλεκτρονίων να περάσει μέσα από το οπτικό κοντινό πεδίο ενός φωτονικού μικροσυντονιστή, με αποτέλεσμα σημαντικές αλλαγές στην ενέργεια των ηλεκτρονίων.

Αυτό επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να απορροφούν αρκετές εκατοντάδες φωτόνια, επεκτείνοντας την εφαρμογή του χειρισμού δέσμης ηλεκτρονίων σε συμβατικά ηλεκτρονικά μικροσκόπια. Αυτός ο συνδυασμός ηλεκτρονικής μικροσκοπίας και φωτονικής έχει μεγάλη σημασία για την πρόοδο σε τομείς όπως η επιστήμη των υλικών, η δομική βιολογία και ο κβαντικός υπολογισμός, καθώς επιτρέπει την απεικόνιση υψηλής ανάλυσης και τη φασματοσκοπία.

Συνολικά, μπορεί να ειπωθεί ότι η αλλαγή των ορίων του τι μπορεί να μετρηθεί μέσω καινοτόμων τεχνολογιών όπως το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο attosecond του Baum και το UTEM καθώς και ο συνδυασμός με φωτονική υψηλής ακρίβειας εγκαινιάζει μια νέα εποχή έρευνας υλικών στην οποία οι δυναμικές διεργασίες σε ατομικό επίπεδο γίνονται όλο και πιο ξεκάθαρες.