Forradalom a mikroszkópiában: göttingeni kutatók irányítják az elektronsugarat!

Forradalom a mikroszkópiában: göttingeni kutatók irányítják az elektronsugarat!

Az anyag atomi szerkezetének és dinamikájának tanulmányozásának képességét a modern technológiák folyamatosan fejlesztik. Úttörő példa egy attoszekundumos elektronmikroszkóp kifejlesztése, amelyet Peter Baum professzor és csapata fejlesztett ki. Konstanzi Egyetem. Ez az innovatív eszköz képes megjeleníteni a fény elektromos oszcillációit, és lehetővé teszi az atomok és elektronok mozgásának mély megértését, amelyek kulcsfontosságúak az anyag tulajdonságaihoz. A femtoszekundumok vagy akár attoszekundumok időperiódusai – a másodperc trilliod és milliárdod része – végzett mérések új betekintést nyújtanak az anyag viselkedésébe az atomok és elektronok elrendezése alapján.

A korábbi mérési módszerek hatékonysága korlátozott volt, és csak olyan folyamatokat tudtak rögzíteni, amelyeket nagy energiájú lézerimpulzusok stimuláltak. A Baum és csapata által tervezett új fejlesztés, amelyet 3,1 millió eurós ERC Advanced Grant-ből finanszíroznak, ezen korlátok leküzdését célozza. A projekt öt évig tart, és olyan új elektronmikroszkópok létrehozását célozza, amelyek képesek megfigyelni az elektromosan, mágnesesen vagy más módon kiváltott folyamatok teljes forgatókönyvét. Az ultrarövid elektronimpulzusok speciálisan generált sorozatainak és térbeli mintázatainak felhasználásával a cél az atomdinamika átfogóbb megfigyelése.

Az elektronmikroszkópia technológiai fejlődése

Külön kihívást jelent a mikroszkopikus szerkezeti változások rövid időn belüli láthatóvá tétele. Az új ultragyors transzmissziós elektronmikroszkóp (UTEM) kulcsszerepet fog játszani ebben a kutatásban. „Pump-touch” eljárást alkalmaz két késleltetett lézerimpulzussal. Az első lézerimpulzus gerjeszti a mintát, míg a második elektronimpulzust generál, amely leképezi a dinamikát. Ez a technológia egyedülálló Németországban, és forradalmasíthatja a korábbi módszertant.

Az UTEM nagymértékben profitál majd az időfelbontású elektronmikroszkópia elmúlt néhány évtizedben elért fejlődéséből. Az 1980-as évek óta folyik a munka ezen technológiák fejlesztésén, és jelentős előrelépést értek el a kutatócsoportok világszerte, például Göttingenben, ahol 2010 óta új kamerarendszereket fejlesztenek.

A kvantummechanikai mérési módszerek új korszaka

Az elektronmikroszkópia fejlődése mellett a göttingeni és svájci kutatók a közelmúltban sikeresen manipuláltak egy elektronsugarat egy optikai mikrochip rendszer segítségével. Ezek az eredmények új lehetőségeket nyitnak meg az elektronmikroszkópos kvantummechanikai mérési módszerek számára. Az integrált fotonika alapú rendszerek használatával, amelyek pontosan képesek irányítani a fényt, javul a szabad elektronok és fotonok közötti kölcsönhatás. Ez lehetővé teszi, hogy az elektronsugár áthaladjon egy fotonikus mikrorezonátor optikai közeli mezején, ami jelentős változásokat eredményez az elektronok energiájában.

Ez lehetővé teszi az elektronok számára, hogy több száz fotont elnyeljenek, kibővítve az elektronsugaras manipuláció alkalmazhatóságát a hagyományos elektronmikroszkópokban. Az elektronmikroszkópia és a fotonika ezen kombinációja nagy jelentőséggel bír az olyan területek előrehaladása szempontjából, mint az anyagtudomány, a szerkezetbiológia és a kvantumszámítástechnika, mivel lehetővé teszi a nagy felbontású képalkotást és spektroszkópiát.

Összességében elmondható, hogy az olyan innovatív technológiákkal mérhető határok eltolódása, mint a Baum-féle attoszekundumos elektronmikroszkóp és az UTEM, valamint a nagy pontosságú fotonikával való kombináció, az anyagkutatás új korszakát nyitja meg, amelyben az atomi szintű dinamikus folyamatok egyre egyértelműbbé válnak.