Revolucija u mikroskopiji: istraživači iz Göttingena kontroliraju elektronske zrake!

Revolucija u mikroskopiji: istraživači iz Göttingena kontroliraju elektronske zrake!

Sposobnost proučavanja atomske strukture i dinamike materije neprestano se poboljšava modernim tehnologijama. Revolucionarni primjer je razvoj atosekundnog elektronskog mikroskopa od strane profesora Petera Bauma i njegovog tima na Sveučilište u Konstanzu. Ovaj inovativni uređaj može vizualizirati električne oscilacije svjetlosti i omogućiti duboko razumijevanje kretanja atoma i elektrona, koji su ključni za svojstva materijala. Mjerenja u vremenskim razdobljima od femtosekundi ili čak atosekundi – bilijuntih i milijarditih dijelova sekunde – nude nove uvide u ponašanje materije na temelju rasporeda atoma i elektrona.

Prethodne metode mjerenja bile su ograničene u svojoj učinkovitosti i mogle su bilježiti samo procese koji su bili stimulirani visokoenergetskim laserskim impulsima. Novi razvoj koji su planirali Baum i njegov tim, a koji je financiran s ERC Advanced Grantom od 3,1 milijuna eura, ima za cilj prevladati ta ograničenja. Projekt će trajati pet godina i namijenjen je stvaranju novih elektronskih mikroskopa koji mogu promatrati kompletne scenarije električnih, magnetskih ili drugih procesa potaknutih. Korištenjem specifično generiranih sekvenci i prostornih uzoraka ultrakratkih elektronskih impulsa, cilj je postići sveobuhvatnije promatranje atomske dinamike.

Tehnološki napredak u elektronskoj mikroskopiji

Poseban izazov je učiniti mikroskopske strukturne promjene vidljivima u kratkim vremenskim razmacima. Novi ultrabrzi prijenosni elektronski mikroskop (UTEM) imat će ključnu ulogu u ovom istraživanju. Koristi "pump-touch" proces s dva vremenski odgođena laserska impulsa. Prvi laserski impuls pobuđuje uzorak, dok drugi generira elektronski impuls koji preslikava dinamiku. Ova je tehnologija jedinstvena u Njemačkoj i može revolucionirati prethodnu metodologiju.

UTEM će imati velike koristi od napretka u vremenski razlučivoj elektronskoj mikroskopiji u posljednjih nekoliko desetljeća. Radi se na poboljšanju ovih tehnologija od 1980-ih, a značajan napredak postigli su istraživački timovi diljem svijeta, primjerice u Göttingenu, gdje su od 2010. razvijeni novi sustavi kamera.

Nova era kvantno mehaničkih mjernih metoda

Uz napredak u elektronskoj mikroskopiji, istraživači iz Göttingena i Švicarske nedavno su uspješno manipulirali snopom elektrona pomoću sustava optičkih mikročipova. Ova otkrića otvaraju nove mogućnosti za kvantno-mehaničke metode mjerenja u elektronskoj mikroskopiji. Upotrebom integriranih sustava temeljenih na fotonici koji mogu precizno usmjeravati svjetlost, poboljšavaju se interakcije između slobodnih elektrona i fotona. To omogućuje elektronskom snopu da prođe kroz optičko blisko polje fotonskog mikrorezonatora, što rezultira značajnim promjenama u energiji elektrona.

To omogućuje elektronima da apsorbiraju nekoliko stotina fotona, proširujući primjenjivost manipulacije elektronskim snopom u konvencionalnim elektronskim mikroskopima. Ova kombinacija elektronske mikroskopije i fotonike od velike je važnosti za napredak u područjima kao što su znanost o materijalima, strukturna biologija i kvantno računalstvo, budući da omogućuje snimanje slika i spektroskopiju visoke rezolucije.

Sve u svemu, može se reći da pomicanje granica onoga što se može mjeriti pomoću inovativnih tehnologija kao što su Baumov atosekundni elektronski mikroskop i UTEM, kao i kombinacija s visokopreciznom fotonikom, uvode u novu eru istraživanja materijala u kojoj dinamički procesi na atomskoj razini postaju sve jasniji.