Revolução na microscopia: pesquisadores de Göttingen controlam feixes de elétrons!

Revolução na microscopia: pesquisadores de Göttingen controlam feixes de elétrons!

A capacidade de estudar a estrutura atômica e a dinâmica da matéria está sendo continuamente aprimorada pelas tecnologias modernas. Um exemplo inovador é o desenvolvimento de um microscópio eletrônico de attossegundos pelo professor Peter Baum e sua equipe no Universidade de Constança. Este dispositivo inovador pode visualizar oscilações elétricas da luz e permite uma compreensão profunda dos movimentos dos átomos e elétrons, que são cruciais para as propriedades dos materiais. As medições ao longo de períodos de femtossegundos ou mesmo attossegundos – trilionésimos e bilionésimos de segundo – oferecem novos insights sobre o comportamento da matéria com base no arranjo de átomos e elétrons.

Os métodos de medição anteriores eram limitados em sua eficácia e só podiam registrar processos estimulados por pulsos de laser de alta energia. O novo desenvolvimento planeado por Baum e a sua equipa, que é financiado com uma ERC Advanced Grant de 3,1 milhões de euros, visa superar estas limitações. O projeto terá duração de cinco anos e tem como objetivo criar novos microscópios eletrônicos que possam observar cenários completos de processos acionados eletricamente, magneticamente ou de outra forma. Ao usar sequências geradas especificamente e padrões espaciais de pulsos de elétrons ultracurtos, o objetivo é alcançar uma observação mais abrangente da dinâmica atômica.

Avanços tecnológicos em microscopia eletrônica

Um desafio especial é tornar visíveis mudanças estruturais microscópicas em escalas de tempo curtas. O novo microscópio eletrônico de transmissão ultrarrápida (UTEM) desempenhará um papel fundamental nesta pesquisa. Ele usa um processo “pump-touch” com dois pulsos de laser retardados. O primeiro pulso de laser excita a amostra, enquanto o segundo gera um pulso de elétrons que mapeia a dinâmica. Esta tecnologia é única na Alemanha e pode revolucionar a metodologia anterior.

A UTEM se beneficiará muito com os avanços na microscopia eletrônica de resolução temporal nas últimas décadas. Estão em curso trabalhos para melhorar estas tecnologias desde a década de 1980, e foram feitos progressos significativos por equipas de investigação em todo o mundo, como em Göttingen, onde novos sistemas de câmaras foram desenvolvidos desde 2010.

Uma nova era de métodos de medição da mecânica quântica

Além dos avanços na microscopia eletrônica, pesquisadores de Göttingen e da Suíça manipularam recentemente com sucesso um feixe de elétrons usando um sistema de microchip óptico. Essas descobertas abrem novas possibilidades para métodos de medição da mecânica quântica em microscopia eletrônica. Ao usar sistemas integrados baseados em fotônica que podem direcionar a luz com precisão, as interações entre elétrons livres e fótons são melhoradas. Isso permite que o feixe de elétrons passe através do campo óptico próximo de um microrressonador fotônico, resultando em mudanças significativas na energia dos elétrons.

Isto permite que os elétrons absorvam várias centenas de fótons, expandindo a aplicabilidade da manipulação do feixe de elétrons em microscópios eletrônicos convencionais. Essa combinação de microscopia eletrônica e fotônica é de grande importância para avanços em áreas como ciência de materiais, biologia estrutural e computação quântica, pois permite imagens e espectroscopia de alta resolução.

No geral, pode-se dizer que a mudança nos limites do que pode ser medido através de tecnologias inovadoras, como o microscópio electrónico de attosegundo de Baum e o UTEM, bem como a combinação com fotónica de alta precisão, está a inaugurar uma nova era de investigação de materiais, na qual os processos dinâmicos a nível atómico estão a tornar-se cada vez mais claros.