Revolúcia v mikroskopii: Göttingenskí výskumníci ovládajú elektrónové lúče!

Revolúcia v mikroskopii: Göttingenskí výskumníci ovládajú elektrónové lúče!

Schopnosť študovať atómovú štruktúru a dynamiku hmoty neustále zdokonaľujú moderné technológie. Prelomovým príkladom je vývoj attosekundového elektrónového mikroskopu profesorom Petrom Baumom a jeho tímom Univerzita v Kostnici. Toto inovatívne zariadenie dokáže vizualizovať elektrické oscilácie svetla a umožňuje hlboké pochopenie pohybov atómov a elektrónov, ktoré sú kľúčové pre vlastnosti materiálu. Merania v časových úsekoch femtosekúnd alebo dokonca attosekúnd – bilióntiny a miliardtiny sekundy – ponúkajú nový pohľad na správanie hmoty na základe usporiadania atómov a elektrónov.

Doterajšie metódy merania boli vo svojej účinnosti obmedzené a mohli zaznamenávať iba procesy, ktoré boli stimulované vysokoenergetickými laserovými impulzmi. Cieľom nového vývoja plánovaného Baumom a jeho tímom, ktorý je financovaný z grantu ERC Advanced Grant vo výške 3,1 milióna eur, je prekonať tieto obmedzenia. Projekt potrvá päť rokov a je určený na vytvorenie nových elektrónových mikroskopov, ktoré dokážu pozorovať kompletné scenáre elektricky, magneticky alebo inak spúšťaných procesov. Použitím špecificky generovaných sekvencií a priestorových vzorov ultrakrátkych elektrónových impulzov je cieľom dosiahnuť komplexnejšie pozorovanie atómovej dynamiky.

Technologický pokrok v elektrónovej mikroskopii

Osobitnou výzvou je zviditeľniť mikroskopické štrukturálne zmeny v krátkom časovom horizonte. Kľúčovú úlohu v tomto výskume zohrá nový ultrarýchly transmisný elektrónový mikroskop (UTEM). Využíva proces „pump-touch“ s dvomi časovo oneskorenými laserovými impulzmi. Prvý laserový impulz excituje vzorku, zatiaľ čo druhý generuje elektrónový impulz, ktorý mapuje dynamiku. Táto technológia je v Nemecku jedinečná a môže spôsobiť revolúciu v predchádzajúcej metodológii.

UTEM bude mať veľký úžitok z pokroku v časovo rozlíšenej elektrónovej mikroskopii za posledných niekoľko desaťročí. Od 80. rokov 20. storočia sa pracuje na zlepšovaní týchto technológií a výskumné tímy po celom svete dosiahli výrazný pokrok, napríklad v Göttingene, kde sa od roku 2010 vyvíjali nové kamerové systémy.

Nová éra kvantovo-mechanických metód merania

Okrem pokrokov v elektrónovej mikroskopii výskumníci z Göttingenu a Švajčiarska nedávno úspešne manipulovali s elektrónovým lúčom pomocou systému optických mikročipov. Tieto zistenia otvárajú nové možnosti pre kvantovo-mechanické meracie metódy v elektrónovej mikroskopii. Použitím integrovaných systémov založených na fotonike, ktoré dokážu presne nasmerovať svetlo, sa zlepšujú interakcie medzi voľnými elektrónmi a fotónmi. To umožňuje elektrónovému lúču prejsť cez optické blízke pole fotonického mikrorezonátora, čo vedie k významným zmenám energie elektrónov.

To umožňuje elektrónom absorbovať niekoľko stoviek fotónov, čím sa rozširuje použiteľnosť manipulácie s elektrónovým lúčom v konvenčných elektrónových mikroskopoch. Táto kombinácia elektrónovej mikroskopie a fotoniky má veľký význam pre pokroky v oblastiach, ako je materiálová veda, štrukturálna biológia a kvantové výpočty, pretože umožňuje zobrazovanie a spektroskopiu s vysokým rozlíšením.

Celkovo možno povedať, že posun v hraniciach toho, čo je možné merať prostredníctvom inovatívnych technológií, ako je Baumov attosekundový elektrónový mikroskop a UTEM, ako aj kombinácia s vysoko presnou fotonikou, otvára novú éru materiálového výskumu, v ktorej sú dynamické procesy na atómovej úrovni čoraz jasnejšie.