Revolusjon innen mikroskopi: Göttingen-forskere kontrollerer elektronstråler!

Revolusjon innen mikroskopi: Göttingen-forskere kontrollerer elektronstråler!

Evnen til å studere materiens atomstruktur og dynamikk blir kontinuerlig forbedret av moderne teknologi. Et banebrytende eksempel er utviklingen av et attosekund-elektronmikroskop av professor Peter Baum og hans team ved Universitetet i Konstanz. Denne innovative enheten kan visualisere elektriske oscillasjoner av lys og muliggjør en dyp forståelse av bevegelsene til atomer og elektroner, som er avgjørende for materialegenskaper. Målingene over tidsperioder av femtosekunder eller til og med attosekunder – trillioner og milliarddeler av et sekund – gir ny innsikt i materiens oppførsel basert på arrangementet av atomer og elektroner.

Tidligere målemetoder var begrenset i sin effektivitet og kunne bare registrere prosesser som ble stimulert av høyenergi-laserpulser. Den nye utviklingen planlagt av Baum og teamet hans, som er finansiert med en ERC Advanced Grant på 3,1 millioner euro, har som mål å overvinne disse begrensningene. Prosjektet vil pågå i fem år og er ment å lage nye elektronmikroskoper som kan observere komplette scenarier av elektrisk, magnetisk eller på annen måte utløste prosesser. Ved å bruke spesifikt genererte sekvenser og romlige mønstre av ultrakorte elektronpulser, er målet å oppnå en mer omfattende observasjon av atomdynamikk.

Teknologiske fremskritt innen elektronmikroskopi

En spesiell utfordring er å synliggjøre mikroskopiske strukturelle endringer på korte tidsskalaer. Det nye ultraraske transmisjonselektronmikroskopet (UTEM) vil spille en nøkkelrolle i denne forskningen. Den bruker en "pump-touch"-prosess med to tidsforsinkede laserpulser. Den første laserpulsen begeistrer prøven, mens den andre genererer en elektronpuls som kartlegger dynamikken. Denne teknologien er unik i Tyskland og kan revolusjonere den tidligere metodikken.

UTEM vil ha stor nytte av fremskrittene innen tidsløst elektronmikroskopi de siste tiårene. Det har vært arbeidet med å forbedre disse teknologiene siden 1980-tallet, og det er gjort betydelige fremskritt av forskningsteam over hele verden, som i Göttingen, hvor nye kamerasystemer har blitt utviklet siden 2010.

En ny æra av kvantemekaniske målemetoder

I tillegg til fremskritt innen elektronmikroskopi, manipulerte forskere fra Göttingen og Sveits nylig en elektronstråle ved hjelp av et optisk mikrobrikkesystem. Disse funnene åpner for nye muligheter for kvantemekaniske målemetoder i elektronmikroskopi. Ved å bruke integrerte fotonikkbaserte systemer som presist kan rette lys, forbedres interaksjoner mellom frie elektroner og fotoner. Dette lar elektronstrålen passere gjennom det optiske nærfeltet til en fotonisk mikroresonator, noe som resulterer i betydelige endringer i elektronenes energi.

Dette lar elektroner absorbere flere hundre fotoner, og utvider anvendeligheten til elektronstrålemanipulering i konvensjonelle elektronmikroskoper. Denne kombinasjonen av elektronmikroskopi og fotonikk er av stor betydning for fremskritt innen felt som materialvitenskap, strukturell biologi og kvantedatabehandling, siden den muliggjør høyoppløselig avbildning og spektroskopi.

Samlet sett kan det sies at skiftet i grensene for hva som kan måles gjennom innovative teknologier som Baums attosekund-elektronmikroskop og UTEM samt kombinasjonen med høypresisjonsfotonikk innleder en ny æra av materialforskning der de dynamiske prosessene på atomnivå blir stadig tydeligere.