Revolutie in microscopie: onderzoekers uit Göttingen controleren elektronenbundels!

Revolutie in microscopie: onderzoekers uit Göttingen controleren elektronenbundels!

Het vermogen om de atomaire structuur en dynamiek van materie te bestuderen wordt voortdurend verbeterd door moderne technologieën. Een baanbrekend voorbeeld is de ontwikkeling van een attoseconde-elektronenmicroscoop door professor Peter Baum en zijn team Universiteit van Konstanz. Dit innovatieve apparaat kan elektrische oscillaties van licht visualiseren en maakt een diepgaand begrip mogelijk van de bewegingen van atomen en elektronen, die cruciaal zijn voor materiaaleigenschappen. De metingen over tijdsperioden van femtoseconden of zelfs attoseconden – biljoensten en miljardsten van een seconde – bieden nieuwe inzichten in het gedrag van materie op basis van de rangschikking van atomen en elektronen.

Eerdere meetmethoden waren beperkt in hun effectiviteit en konden alleen processen registreren die werden gestimuleerd door hoogenergetische laserpulsen. De door Baum en zijn team geplande nieuwe ontwikkeling, gefinancierd met een ERC Advanced Grant van 3,1 miljoen euro, heeft tot doel deze beperkingen te overwinnen. Het project zal vijf jaar duren en is bedoeld om nieuwe elektronenmicroscopen te creëren die complete scenario's van elektrisch, magnetisch of anderszins geactiveerde processen kunnen observeren. Door specifiek gegenereerde sequenties en ruimtelijke patronen van ultrakorte elektronenpulsen te gebruiken, is het doel om een ​​meer omvattende observatie van de atomaire dynamiek te bereiken.

Technologische vooruitgang in elektronenmicroscopie

Een bijzondere uitdaging is om microscopische structurele veranderingen op korte tijdschalen zichtbaar te maken. De nieuwe ultrasnelle transmissie-elektronenmicroscoop (UTEM) zal een sleutelrol spelen in dit onderzoek. Het maakt gebruik van een “pump-touch”-proces met twee tijdvertraagde laserpulsen. De eerste laserpuls exciteert het monster, terwijl de tweede een elektronenpuls genereert die de dynamiek in kaart brengt. Deze technologie is uniek in Duitsland en kan een revolutie teweegbrengen in de voorgaande methodologie.

De UTEM zal enorm profiteren van de vooruitgang op het gebied van tijdsopgeloste elektronenmicroscopie van de afgelopen decennia. Sinds de jaren tachtig wordt er gewerkt aan het verbeteren van deze technologieën, en er is aanzienlijke vooruitgang geboekt door onderzoeksteams over de hele wereld, zoals in Göttingen, waar sinds 2010 nieuwe camerasystemen zijn ontwikkeld.

Een nieuw tijdperk van kwantummechanische meetmethoden

Naast de vooruitgang op het gebied van elektronenmicroscopie hebben onderzoekers uit Göttingen en Zwitserland onlangs met succes een elektronenbundel gemanipuleerd met behulp van een optisch microchipsysteem. Deze bevindingen openen nieuwe mogelijkheden voor kwantummechanische meetmethoden in de elektronenmicroscopie. Door gebruik te maken van geïntegreerde, op fotonica gebaseerde systemen die licht nauwkeurig kunnen richten, worden de interacties tussen vrije elektronen en fotonen verbeterd. Hierdoor kan de elektronenbundel door het optische nabije veld van een fotonische microresonator gaan, wat resulteert in aanzienlijke veranderingen in de energie van de elektronen.

Hierdoor kunnen elektronen honderden fotonen absorberen, waardoor de toepasbaarheid van elektronenbundelmanipulatie in conventionele elektronenmicroscopen wordt vergroot. Deze combinatie van elektronenmicroscopie en fotonica is van groot belang voor vooruitgang op gebieden als materiaalkunde, structurele biologie en quantum computing, omdat het beeldvorming en spectroscopie met hoge resolutie mogelijk maakt.

Over het geheel genomen kan worden gezegd dat de verschuiving van de grenzen van wat kan worden gemeten via innovatieve technologieën zoals Baums attoseconde-elektronenmicroscoop en de UTEM, evenals de combinatie met uiterst nauwkeurige fotonica, een nieuw tijdperk van materiaalonderzoek inluidt waarin de dynamische processen op atomair niveau steeds duidelijker worden.