Rivoluzione nella microscopia: i ricercatori di Gottinga controllano i fasci di elettroni!

Rivoluzione nella microscopia: i ricercatori di Gottinga controllano i fasci di elettroni!

La capacità di studiare la struttura atomica e la dinamica della materia viene continuamente migliorata dalle moderne tecnologie. Un esempio rivoluzionario è lo sviluppo di un microscopio elettronico ad attosecondi da parte del professor Peter Baum e del suo team Università di Costanza. Questo dispositivo innovativo può visualizzare le oscillazioni elettriche della luce e consente una profonda comprensione dei movimenti degli atomi e degli elettroni, che sono cruciali per le proprietà dei materiali. Le misurazioni su periodi di tempo di femtosecondi o addirittura attosecondi – trilionesimi e miliardesimi di secondo – offrono nuove informazioni sul comportamento della materia in base alla disposizione di atomi ed elettroni.

I metodi di misurazione precedenti erano limitati nella loro efficacia e potevano registrare solo processi stimolati da impulsi laser ad alta energia. Il nuovo sviluppo pianificato da Baum e dal suo team, finanziato con un ERC Advanced Grant di 3,1 milioni di euro, mira a superare queste limitazioni. Il progetto durerà cinque anni e mira a creare nuovi microscopi elettronici in grado di osservare scenari completi di processi attivati ​​elettricamente, magneticamente o in altro modo. Utilizzando sequenze generate appositamente e modelli spaziali di impulsi elettronici ultracorti, l'obiettivo è ottenere un'osservazione più completa della dinamica atomica.

Progressi tecnologici nella microscopia elettronica

Una sfida particolare è rendere visibili i cambiamenti strutturali microscopici su scale temporali brevi. Il nuovo microscopio elettronico a trasmissione ultraveloce (UTEM) svolgerà un ruolo chiave in questa ricerca. Utilizza un processo “pump-touch” con due impulsi laser ritardati. Il primo impulso laser eccita il campione, mentre il secondo genera un impulso elettronico che ne mappa la dinamica. Questa tecnologia è unica in Germania e può rivoluzionare la metodologia precedente.

L’UTEM trarrà grandi benefici dai progressi compiuti negli ultimi decenni nella microscopia elettronica risolta nel tempo. Il lavoro per migliorare queste tecnologie è in corso dagli anni ’80 e gruppi di ricerca in tutto il mondo hanno compiuto progressi significativi, come a Gottinga, dove dal 2010 sono stati sviluppati nuovi sistemi di telecamere.

Una nuova era di metodi di misurazione della meccanica quantistica

Oltre ai progressi nella microscopia elettronica, ricercatori di Gottinga e della Svizzera hanno recentemente manipolato con successo un fascio di elettroni utilizzando un sistema di microchip ottico. Questi risultati aprono nuove possibilità per i metodi di misurazione della meccanica quantistica nella microscopia elettronica. Utilizzando sistemi integrati basati sulla fotonica in grado di dirigere con precisione la luce, le interazioni tra elettroni liberi e fotoni vengono migliorate. Ciò consente al fascio di elettroni di passare attraverso il campo ottico vicino di un microrisonatore fotonico, determinando cambiamenti significativi nell'energia degli elettroni.

Ciò consente agli elettroni di assorbire diverse centinaia di fotoni, espandendo l’applicabilità della manipolazione del fascio di elettroni nei microscopi elettronici convenzionali. Questa combinazione di microscopia elettronica e fotonica è di grande importanza per i progressi in campi come la scienza dei materiali, la biologia strutturale e l’informatica quantistica, poiché consente l’imaging e la spettroscopia ad alta risoluzione.

Nel complesso si può dire che lo spostamento dei limiti di ciò che può essere misurato attraverso tecnologie innovative come il microscopio elettronico ad attosecondi di Baum e l'UTEM, nonché la combinazione con la fotonica ad alta precisione, stanno inaugurando una nuova era nella ricerca sui materiali in cui i processi dinamici a livello atomico stanno diventando sempre più chiari.