Revolucija v mikroskopiji: göttingenski raziskovalci nadzorujejo elektronske žarke!

Revolucija v mikroskopiji: göttingenski raziskovalci nadzorujejo elektronske žarke!

Sposobnost preučevanja atomske strukture in dinamike snovi se s sodobnimi tehnologijami nenehno izboljšuje. Prelomen primer je razvoj atosekundnega elektronskega mikroskopa, ki so ga razvili profesor Peter Baum in njegova ekipa na Univerza v Konstanzu. Ta inovativna naprava lahko vizualizira električna nihanja svetlobe in omogoča globoko razumevanje gibanja atomov in elektronov, ki so ključni za lastnosti materiala. Meritve v časovnih obdobjih femtosekund ali celo atosekund – bilijoninke in milijardenke sekunde – ponujajo nove vpoglede v obnašanje snovi na podlagi razporeditve atomov in elektronov.

Prejšnje merilne metode so bile omejene glede učinkovitosti in so lahko beležile le procese, ki so bili stimulirani z visokoenergijskimi laserskimi impulzi. Nov razvoj, ki sta ga načrtovala Baum in njegova ekipa in je financiran z ERC Advanced Grant v višini 3,1 milijona evrov, želi preseči te omejitve. Projekt bo potekal pet let in je namenjen ustvarjanju novih elektronskih mikroskopov, ki lahko opazujejo celotne scenarije električno, magnetno ali kako drugače sproženih procesov. Z uporabo posebej generiranih zaporedij in prostorskih vzorcev ultrakratkih elektronskih impulzov je cilj doseči bolj celovito opazovanje atomske dinamike.

Tehnološki napredek v elektronski mikroskopiji

Poseben izziv je narediti mikroskopske strukturne spremembe vidne v kratkem času. Ključno vlogo v tej raziskavi bo imel novi ultrahitri transmisijski elektronski mikroskop (UTEM). Uporablja postopek "pump-touch" z dvema časovno zakasnjenima laserskima impulzoma. Prvi laserski impulz vzbudi vzorec, medtem ko drugi ustvari elektronski impulz, ki preslika dinamiko. Ta tehnologija je edinstvena v Nemčiji in lahko revolucionira prejšnjo metodologijo.

UTEM bo imel veliko koristi od napredka časovno ločljive elektronske mikroskopije v zadnjih nekaj desetletjih. Delo za izboljšanje teh tehnologij poteka že od osemdesetih let prejšnjega stoletja in pomemben napredek so dosegle raziskovalne skupine po vsem svetu, na primer v Göttingenu, kjer od leta 2010 razvijajo nove sisteme kamer.

Nova doba kvantnih mehanskih merilnih metod

Poleg napredka v elektronski mikroskopiji so raziskovalci iz Göttingena in Švice nedavno uspešno manipulirali z elektronskim žarkom s sistemom optičnega mikročipa. Te ugotovitve odpirajo nove možnosti kvantno mehanskih merilnih metod v elektronski mikroskopiji. Z uporabo integriranih sistemov, ki temeljijo na fotoniki in lahko natančno usmerjajo svetlobo, so interakcije med prostimi elektroni in fotoni izboljšane. To omogoča, da elektronski žarek prehaja skozi optično bližnje polje fotoničnega mikroresonatorja, kar povzroči pomembne spremembe v energiji elektronov.

To omogoča elektronom, da absorbirajo več sto fotonov, s čimer se razširi uporabnost manipulacije z elektronskim žarkom v običajnih elektronskih mikroskopih. Ta kombinacija elektronske mikroskopije in fotonike je zelo pomembna za napredek na področjih, kot so znanost o materialih, strukturna biologija in kvantno računalništvo, saj omogoča slikanje in spektroskopijo visoke ločljivosti.

Na splošno lahko rečemo, da premik v mejah tega, kar je mogoče izmeriti z inovativnimi tehnologijami, kot sta Baumov atosekundni elektronski mikroskop in UTEM ter kombinacija z visoko natančno fotoniko, uvaja novo dobo raziskav materialov, v kateri postajajo dinamični procesi na atomski ravni vse bolj jasni.