Revolution inom mikroskopi: Göttingens forskare kontrollerar elektronstrålar!

Revolution inom mikroskopi: Göttingens forskare kontrollerar elektronstrålar!

Förmågan att studera materiens atomära struktur och dynamik förbättras ständigt av modern teknik. Ett banbrytande exempel är utvecklingen av ett attosecond-elektronmikroskop av professor Peter Baum och hans team vid Universitetet i Konstanz. Denna innovativa enhet kan visualisera elektriska svängningar av ljus och möjliggör en djup förståelse av rörelserna hos atomer och elektroner, som är avgörande för materialegenskaper. Mätningarna över tidsperioder av femtosekunder eller till och med attosekunder – biljondelar och miljarddelar av en sekund – ger nya insikter om materiens beteende baserat på arrangemanget av atomer och elektroner.

Tidigare mätmetoder var begränsade i sin effektivitet och kunde bara registrera processer som stimulerades av högenergilaserpulser. Den nya utvecklingen som planeras av Baum och hans team, som finansieras med ett ERC Advanced Grant på 3,1 miljoner euro, syftar till att övervinna dessa begränsningar. Projektet kommer att pågå i fem år och är avsett att skapa nya elektronmikroskop som kan observera kompletta scenarier av elektriskt, magnetiskt eller på annat sätt utlösta processer. Genom att använda specifikt genererade sekvenser och rumsliga mönster av ultrakorta elektronpulser är syftet att uppnå en mer omfattande observation av atomär dynamik.

Tekniska framsteg inom elektronmikroskopi

En speciell utmaning är att synliggöra mikroskopiska strukturella förändringar på korta tidsskalor. Det nya ultrasnabba transmissionselektronmikroskopet (UTEM) kommer att spela en nyckelroll i denna forskning. Den använder en "pump-touch"-process med två tidsfördröjda laserpulser. Den första laserpulsen exciterar provet, medan den andra genererar en elektronpuls som kartlägger dynamiken. Denna teknik är unik i Tyskland och kan revolutionera den tidigare metodiken.

UTEM kommer att dra stor nytta av framstegen inom tidsupplöst elektronmikroskopi under de senaste decennierna. Arbete har pågått för att förbättra dessa teknologier sedan 1980-talet och betydande framsteg har gjorts av forskarteam runt om i världen, som i Göttingen, där nya kamerasystem har utvecklats sedan 2010.

En ny era av kvantmekaniska mätmetoder

Förutom framstegen inom elektronmikroskopi har forskare från Göttingen och Schweiz nyligen framgångsrikt manipulerat en elektronstråle med hjälp av ett optiskt mikrochipsystem. Dessa fynd öppnar nya möjligheter för kvantmekaniska mätmetoder inom elektronmikroskopi. Genom att använda integrerade fotonikbaserade system som kan rikta ljus exakt, förbättras interaktioner mellan fria elektroner och fotoner. Detta tillåter elektronstrålen att passera genom det optiska närfältet hos en fotonisk mikroresonator, vilket resulterar i betydande förändringar i elektronernas energi.

Detta tillåter elektroner att absorbera flera hundra fotoner, vilket utökar tillämpbarheten av elektronstrålemanipulation i konventionella elektronmikroskop. Denna kombination av elektronmikroskopi och fotonik är av stor betydelse för framsteg inom områden som materialvetenskap, strukturbiologi och kvantberäkning, eftersom den möjliggör högupplöst bildbehandling och spektroskopi.

Sammantaget kan man säga att förskjutningen av gränserna för vad som kan mätas genom innovativa teknologier som Baums attosecond-elektronmikroskop och UTEM samt kombinationen med högprecisionsfotonik inleder en ny era av materialforskning där de dynamiska processerna på atomnivå blir allt tydligare.