Revoluție în microscopie: cercetătorii de la Göttingen controlează fasciculele de electroni!

Revoluție în microscopie: cercetătorii de la Göttingen controlează fasciculele de electroni!

Abilitatea de a studia structura atomică și dinamica materiei este îmbunătățită continuu de tehnologiile moderne. Un exemplu revoluționar este dezvoltarea unui microscop electronic de attosecundă de către profesorul Peter Baum și echipa sa de la Universitatea din Konstanz. Acest dispozitiv inovator poate vizualiza oscilațiile electrice ale luminii și permite o înțelegere profundă a mișcărilor atomilor și electronilor, care sunt esențiale pentru proprietățile materialelor. Măsurătorile pe perioade de timp de femtosecunde sau chiar attosecunde – trilioane și miliarde de secunde – oferă noi perspective asupra comportamentului materiei bazate pe aranjarea atomilor și electronilor.

Metodele de măsurare anterioare erau limitate în eficacitatea lor și puteau înregistra doar procesele care erau stimulate de impulsuri laser de înaltă energie. Noua dezvoltare planificată de Baum și echipa sa, care este finanțată cu un ERC Advanced Grant de 3,1 milioane de euro, își propune să depășească aceste limitări. Proiectul se va desfășura timp de cinci ani și are scopul de a crea noi microscoape electronice care pot observa scenarii complete ale proceselor declanșate electric, magnetic sau în alt mod. Prin utilizarea secvențelor generate în mod specific și a modelelor spațiale ale impulsurilor de electroni ultrascurte, scopul este de a realiza o observare mai cuprinzătoare a dinamicii atomice.

Progrese tehnologice în microscopia electronică

O provocare specială este de a face vizibile modificările structurale microscopice pe scară scurtă de timp. Noul microscop electronic cu transmisie ultrarapidă (UTEM) va juca un rol cheie în această cercetare. Utilizează un proces „pump-touch” cu două impulsuri laser întârziate. Primul impuls laser excită proba, în timp ce al doilea generează un impuls de electroni care mapează dinamica. Această tehnologie este unică în Germania și poate revoluționa metodologia anterioară.

UTEM va beneficia foarte mult de progresele în microscopia electronică rezolvată în timp din ultimele decenii. S-au lucrat pentru îmbunătățirea acestor tehnologii încă din anii 1980, iar echipele de cercetare din întreaga lume au făcut progrese semnificative, cum ar fi în Göttingen, unde au fost dezvoltate noi sisteme de camere din 2010.

O nouă eră a metodelor de măsurare mecanică cuantică

Pe lângă progresele în microscopia electronică, cercetătorii din Göttingen și Elveția au manipulat recent cu succes un fascicul de electroni folosind un sistem de microcip optic. Aceste descoperiri deschid noi posibilități pentru metodele de măsurare mecanică cuantică în microscopia electronică. Prin utilizarea sistemelor integrate bazate pe fotonică care pot direcționa cu precizie lumina, interacțiunile dintre electronii liberi și fotoni sunt îmbunătățite. Acest lucru permite fasciculului de electroni să treacă prin câmpul optic apropiat al unui microrezonator fotonic, ducând la modificări semnificative ale energiei electronilor.

Acest lucru permite electronilor să absoarbă câteva sute de fotoni, extinzând aplicabilitatea manipulării fasciculului de electroni în microscoapele electronice convenționale. Această combinație de microscopie electronică și fotonică este de mare importanță pentru progresele în domenii precum știința materialelor, biologia structurală și calculul cuantic, deoarece permite imagistica de înaltă rezoluție și spectroscopie.

În general, se poate spune că schimbarea limitelor a ceea ce poate fi măsurat prin tehnologii inovatoare, cum ar fi microscopul electronic de attosecundă al lui Baum și UTEM, precum și combinația cu fotonica de înaltă precizie, inaugurează o nouă eră a cercetării materialelor în care procesele dinamice la nivel atomic devin din ce în ce mai clare.