Revoliucija mikroskopijoje: Getingeno mokslininkai valdo elektronų pluoštus!

Revoliucija mikroskopijoje: Getingeno mokslininkai valdo elektronų pluoštus!

Gebėjimas tirti materijos atominę struktūrą ir dinamiką nuolat tobulinamas šiuolaikinėmis technologijomis. Novatoriškas pavyzdys yra attosekundinio elektroninio mikroskopo sukūrimas, kurį sukūrė profesorius Peteris Baumas ir jo komanda. Konstanco universitetas. Šis naujoviškas prietaisas gali vizualizuoti elektrinius šviesos virpesius ir leidžia giliai suprasti atomų ir elektronų judėjimą, kurie yra labai svarbūs medžiagų savybėms. Femtosekundžių ar net attosekundžių – trilijonų ir milijardųjų sekundės dalių – matavimai suteikia naujų įžvalgų apie materijos elgseną, pagrįstą atomų ir elektronų išsidėstymu.

Ankstesni matavimo metodai buvo riboti savo efektyvumu ir galėjo įrašyti tik tuos procesus, kurie buvo stimuliuojami didelės energijos lazerio impulsais. Baumo ir jo komandos planuojama nauja plėtra, kuri finansuojama iš 3,1 milijono eurų ERC pažangiosios dotacijos, siekia įveikti šiuos apribojimus. Projektas truks penkerius metus ir skirtas sukurti naujus elektroninius mikroskopus, kurie galėtų stebėti visus elektriniu, magnetiniu ar kitaip suaktyvintų procesų scenarijus. Naudojant specialiai sukurtas ultratrumpų elektronų impulsų sekas ir erdvinius modelius, siekiama visapusiškesnio atominės dinamikos stebėjimo.

Elektroninės mikroskopijos technologijų pažanga

Ypatingas iššūkis yra padaryti mikroskopinius struktūrinius pokyčius matomus per trumpą laiką. Naujasis itin greito perdavimo elektronų mikroskopas (UTEM) vaidins pagrindinį vaidmenį šiame tyrime. Jis naudoja "siurblio prisilietimo" procesą su dviem uždelstais lazerio impulsais. Pirmasis lazerio impulsas sužadina mėginį, o antrasis generuoja elektronų impulsą, nurodantį dinamiką. Ši technologija yra unikali Vokietijoje ir gali pakeisti ankstesnę metodiką.

UTEM gaus daug naudos iš laike skiriamos elektroninės mikroskopijos pažangos per pastaruosius kelis dešimtmečius. Nuo 1980-ųjų buvo dirbama tobulinant šias technologijas, o mokslininkų grupės visame pasaulyje padarė didelę pažangą, pavyzdžiui, Getingene, kur nuo 2010 m. buvo kuriamos naujos kamerų sistemos.

Nauja kvantinių mechaninių matavimo metodų era

Be elektroninės mikroskopijos pažangos, Getingeno ir Šveicarijos mokslininkai neseniai sėkmingai manipuliavo elektronų pluoštu naudodami optinę mikroschemų sistemą. Šie atradimai atveria naujas kvantinių mechaninių matavimo metodų galimybes elektroninėje mikroskopijoje. Naudojant integruotas fotonika pagrįstas sistemas, kurios gali tiksliai nukreipti šviesą, pagerinama laisvųjų elektronų ir fotonų sąveika. Tai leidžia elektronų pluoštui pereiti per optinį artimąjį fotoninio mikrorezonatoriaus lauką, o tai lemia reikšmingus elektronų energijos pokyčius.

Tai leidžia elektronams sugerti kelis šimtus fotonų, išplečiant elektronų pluošto manipuliavimo pritaikomumą įprastuose elektronų mikroskopuose. Šis elektroninės mikroskopijos ir fotonikos derinys yra labai svarbus pažangai tokiose srityse kaip medžiagų mokslas, struktūrinė biologija ir kvantinė kompiuterija, nes tai leidžia daryti didelės raiškos vaizdus ir spektroskopiją.

Apskritai galima teigti, kad to, ką galima išmatuoti naudojant novatoriškas technologijas, tokias kaip Baumo atosekundinis elektroninis mikroskopas ir UTEM, taip pat derinys su didelio tikslumo fotonika, pokytis pradeda naują medžiagų tyrimų erą, kurioje dinaminiai procesai atominiu lygmeniu tampa vis aiškesni.