Vallankumous mikroskopiassa: Göttingenin tutkijat ohjaavat elektronisuihkuja!

Vallankumous mikroskopiassa: Göttingenin tutkijat ohjaavat elektronisuihkuja!

Kykyä tutkia aineen atomirakennetta ja dynamiikkaa parannetaan jatkuvasti nykyaikaisilla teknologioilla. Mullistava esimerkki on attosekunnin elektronimikroskoopin kehittäminen, jonka on kehittänyt professori Peter Baum ja hänen tiiminsä. Konstanzin yliopisto. Tämä innovatiivinen laite voi visualisoida valon sähköisiä värähtelyjä ja mahdollistaa syvän ymmärryksen atomien ja elektronien liikkeistä, jotka ovat ratkaisevan tärkeitä materiaalin ominaisuuksien kannalta. Femtosekuntien tai jopa attosekuntien – sekunnin biljoonasosien ja miljardisosien – mittaukset tarjoavat uusia näkemyksiä aineen käyttäytymisestä atomien ja elektronien järjestykseen perustuen.

Aiempien mittausmenetelmien tehokkuus oli rajallinen, ja ne pystyivät tallentamaan vain prosesseja, joita stimuloivat korkeaenergiset laserpulssit. Baumin ja hänen tiiminsä suunnitteleman 3,1 miljoonan euron ERC Advanced Grant -apurahalla rahoitetun uuden kehitystyön tavoitteena on voittaa nämä rajoitukset. Projekti kestää viisi vuotta, ja sen tarkoituksena on luoda uusia elektronimikroskooppeja, jotka pystyvät tarkkailemaan täydellisiä skenaarioita sähköisesti, magneettisesti tai muuten laukaistuista prosesseista. Erityisesti generoituja sekvenssejä ja ultralyhyiden elektronipulssien spatiaalisia kuvioita käyttämällä tavoitteena on saada aikaan kattavampi atomidynamiikan havainto.

Elektronimikroskopian teknologinen kehitys

Erityinen haaste on saada mikroskooppiset rakenteelliset muutokset näkyväksi lyhyessä ajassa. Uudella ultrafast transmissioelektronimikroskoopilla (UTEM) on keskeinen rooli tässä tutkimuksessa. Se käyttää "pump-touch"-prosessia kahdella aikaviiveellä laserpulssilla. Ensimmäinen laserpulssi virittää näytteen, kun taas toinen tuottaa elektronipulssin, joka kuvaa dynamiikkaa. Tämä tekniikka on ainutlaatuinen Saksassa ja voi mullistaa aiemman menetelmän.

UTEM hyötyy suuresti aikaresoluution elektronimikroskopian kehityksestä viime vuosikymmeninä. Näiden teknologioiden parantamiseksi on tehty työtä 1980-luvulta lähtien, ja tutkimusryhmät ympäri maailmaa ovat edistyneet merkittävästi, kuten Göttingenissä, jossa uusia kamerajärjestelmiä on kehitetty vuodesta 2010 lähtien.

Kvanttimekaanisten mittausmenetelmien uusi aikakausi

Elektronimikroskopian edistymisen lisäksi Göttingenin ja Sveitsin tutkijat manipuloivat äskettäin onnistuneesti elektronisuihkua käyttämällä optista mikrosirujärjestelmää. Nämä havainnot avaavat uusia mahdollisuuksia kvanttimekaanisille mittausmenetelmille elektronimikroskopiassa. Käyttämällä integroituja fotoniikkaan perustuvia järjestelmiä, jotka pystyvät ohjaamaan valoa tarkasti, vapaiden elektronien ja fotonien vuorovaikutus paranee. Tämä sallii elektronisuihkun kulkea fotonisen mikroresonaattorin optisen lähikentän läpi, mikä johtaa merkittäviin muutoksiin elektronien energiassa.

Tämä sallii elektronien absorboida useita satoja fotoneja, mikä laajentaa elektronisuihkukäsittelyn soveltuvuutta tavanomaisissa elektronimikroskopeissa. Tällä elektronimikroskopian ja fotoniikan yhdistelmällä on suuri merkitys edistyksen kannalta sellaisilla aloilla kuin materiaalitiede, rakennebiologia ja kvanttilaskenta, koska se mahdollistaa korkearesoluutioisen kuvantamisen ja spektroskopian.

Kaiken kaikkiaan voidaan sanoa, että innovatiivisten teknologioiden, kuten Baumin attosekunnin elektronimikroskoopin ja UTEM:n sekä yhdistelmän korkean tarkkuuden fotoniikan avulla mitattavien rajojen siirtyminen avaa materiaalitutkimuksen uuden aikakauden, jossa atomitason dynaamiset prosessit ovat yhä selvempiä.