Revolūcija mikroskopijā: Getingenes pētnieki kontrolē elektronu starus!

Revolūcija mikroskopijā: Getingenes pētnieki kontrolē elektronu starus!

Mūsdienu tehnoloģijas nepārtraukti uzlabo spēju pētīt vielas atomu struktūru un dinamiku. Revolucionārs piemērs ir attosekundes elektronu mikroskopa izstrāde, ko izstrādājis profesors Pīters Baums un viņa komanda. Konstancas Universitāte. Šī novatoriskā ierīce var vizualizēt gaismas elektriskās svārstības un ļauj dziļi izprast atomu un elektronu kustības, kas ir būtiskas materiāla īpašībām. Mērījumi femtosekundēs vai pat attosekundēs – sekundes triljondaļās un miljarddaļās – sniedz jaunu ieskatu matērijas uzvedībā, pamatojoties uz atomu un elektronu izvietojumu.

Iepriekšējās mērīšanas metodes bija ierobežotas ar to efektivitāti un varēja reģistrēt tikai procesus, kurus stimulēja augstas enerģijas lāzera impulsi. Jaunā Bauma un viņa komandas plānotā attīstība, kas tiek finansēta ar ERC Advanced Grant 3,1 miljonu eiro, ir paredzēta, lai pārvarētu šos ierobežojumus. Projekts ilgs piecus gadus, un tā mērķis ir izveidot jaunus elektronu mikroskopus, kas var novērot pilnīgus elektriski, magnētiski vai citādi iedarbinātu procesu scenārijus. Izmantojot īpaši ģenerētas ultraīso elektronu impulsu sekvences un telpiskos modeļus, mērķis ir panākt visaptverošāku atomu dinamikas novērošanu.

Tehnoloģiskie sasniegumi elektronu mikroskopijā

Īpašs izaicinājums ir padarīt mikroskopiskas strukturālas izmaiņas redzamas īsā laika posmā. Jaunajam ultraātrās pārraides elektronu mikroskopam (UTEM) būs galvenā loma šajā pētījumā. Tas izmanto “sūkņa pieskārienu” procesu ar diviem laika aizkavētiem lāzera impulsiem. Pirmais lāzera impulss ierosina paraugu, bet otrais ģenerē elektronu impulsu, kas kartē dinamiku. Šī tehnoloģija ir unikāla Vācijā un var mainīt iepriekšējo metodiku.

UTEM gūs lielu labumu no laika izšķirtspējas elektronu mikroskopijas sasniegumiem pēdējo desmitgažu laikā. Kopš 80. gadiem norit darbs pie šo tehnoloģiju uzlabošanas, un ievērojamu progresu ir panākušas pētnieku grupas visā pasaulē, piemēram, Getingenā, kur kopš 2010. gada tiek izstrādātas jaunas kameru sistēmas.

Jauns kvantu mehānisko mērījumu metožu laikmets

Papildus elektronu mikroskopijas sasniegumiem pētnieki no Getingenes un Šveices nesen veiksmīgi manipulēja ar elektronu staru, izmantojot optisko mikroshēmu sistēmu. Šie atklājumi paver jaunas iespējas kvantu mehānisko mērījumu metodēm elektronu mikroskopijā. Izmantojot integrētas uz fotoniku balstītas sistēmas, kas var precīzi virzīt gaismu, tiek uzlabota brīvo elektronu un fotonu mijiedarbība. Tas ļauj elektronu staram iziet cauri fotoniskā mikrorezonatora optiskajam tuvajam laukam, izraisot būtiskas izmaiņas elektronu enerģijā.

Tas ļauj elektroniem absorbēt vairākus simtus fotonu, paplašinot elektronu staru manipulācijas pielietojamību parastajos elektronu mikroskopos. Šai elektronu mikroskopijas un fotonikas kombinācijai ir liela nozīme sasniegumos tādās jomās kā materiālu zinātne, strukturālā bioloģija un kvantu skaitļošana, jo tā nodrošina augstas izšķirtspējas attēlveidošanu un spektroskopiju.

Kopumā var teikt, ka robežu maiņa tam, ko var izmērīt ar novatoriskām tehnoloģijām, piemēram, Bauma attosekundes elektronu mikroskopu un UTEM, kā arī kombinācija ar augstas precizitātes fotoniku ievada jaunu materiālu izpētes laikmetu, kurā dinamiskie procesi atomu līmenī kļūst arvien skaidrāki.