Rewolucja w mikroskopii: badacze z Getyngi kontrolują wiązki elektronów!

Rewolucja w mikroskopii: badacze z Getyngi kontrolują wiązki elektronów!

Nowoczesne technologie nieustannie udoskonalają możliwości badania struktury atomowej i dynamiki materii. Przełomowym przykładem jest opracowanie attosekundowego mikroskopu elektronowego przez profesora Petera Bauma i jego zespół w laboratorium im Uniwersytet w Konstancji. To innowacyjne urządzenie potrafi wizualizować elektryczne oscylacje światła i umożliwia głębokie zrozumienie ruchów atomów i elektronów, które mają kluczowe znaczenie dla właściwości materiału. Pomiary w okresach femtosekund, a nawet attosekund – bilionowych i miliardowych części sekundy – oferują nowy wgląd w zachowanie materii w oparciu o rozmieszczenie atomów i elektronów.

Dotychczasowe metody pomiarowe miały ograniczoną skuteczność i mogły rejestrować jedynie procesy stymulowane wysokoenergetycznymi impulsami laserowymi. Nowy projekt zaplanowany przez Bauma i jego zespół, finansowany z grantu ERBN dla zaawansowanych w wysokości 3,1 mln euro, ma na celu przezwyciężenie tych ograniczeń. Projekt będzie trwał pięć lat i ma na celu stworzenie nowatorskich mikroskopów elektronowych, które będą w stanie obserwować pełne scenariusze procesów wyzwalanych elektrycznie, magnetycznie lub w inny sposób. Celem wykorzystania specjalnie wygenerowanych sekwencji i wzorów przestrzennych ultrakrótkich impulsów elektronowych jest uzyskanie bardziej wszechstronnej obserwacji dynamiki atomowej.

Postęp technologiczny w mikroskopii elektronowej

Szczególnym wyzwaniem jest uwidocznienie mikroskopijnych zmian strukturalnych w krótkich skalach czasowych. Kluczową rolę w tych badaniach odegra nowy ultraszybki transmisyjny mikroskop elektronowy (UTEM). Wykorzystuje proces „dotyku pompy” z dwoma opóźnionymi w czasie impulsami laserowymi. Pierwszy impuls laserowy pobudza próbkę, drugi generuje impuls elektronowy, który odwzorowuje dynamikę. Technologia ta jest unikalna w Niemczech i może zrewolucjonizować dotychczasową metodologię.

UTEM odniesie ogromne korzyści z postępu w czasowo-rozdzielczej mikroskopii elektronowej, jaki nastąpił w ciągu ostatnich kilku dekad. Prace nad udoskonaleniem tych technologii trwają od lat 80. XX wieku, a zespoły badawcze na całym świecie poczyniły znaczne postępy, np. w Getyndze, gdzie od 2010 r. opracowywane są nowe systemy kamer.

Nowa era metod pomiaru mechaniki kwantowej

Oprócz postępów w mikroskopii elektronowej badaczom z Getyngi i Szwajcarii udało się ostatnio z powodzeniem manipulować wiązką elektronów za pomocą układu mikrochipów optycznych. Odkrycia te otwierają nowe możliwości w zakresie metod pomiarów mechaniki kwantowej w mikroskopii elektronowej. Dzięki zastosowaniu zintegrowanych systemów opartych na fotonice, które potrafią precyzyjnie kierować światło, poprawiono interakcje między swobodnymi elektronami i fotonami. Umożliwia to wiązce elektronów przejście przez optyczne bliskie pole mikrorezonatora fotonicznego, co powoduje znaczne zmiany energii elektronów.

Umożliwia to elektronom absorpcję kilkuset fotonów, zwiększając możliwości manipulacji wiązką elektronów w konwencjonalnych mikroskopach elektronowych. To połączenie mikroskopii elektronowej i fotoniki ma ogromne znaczenie dla postępu w takich dziedzinach, jak inżynieria materiałowa, biologia strukturalna i informatyka kwantowa, ponieważ umożliwia obrazowanie i spektroskopię w wysokiej rozdzielczości.

Ogólnie można stwierdzić, że przesunięcie granic tego, co można zmierzyć za pomocą innowacyjnych technologii, takich jak attosekundowy mikroskop elektronowy Bauma i UTEM, a także połączenie z wysoce precyzyjną fotoniką zapoczątkowuje nową erę badań materiałowych, w których procesy dynamiczne na poziomie atomowym stają się coraz bardziej wyraźne.