Elektronenmicroscopie bestaat al bijna een eeuw, maar een recordbrekende moderne iteratie heeft eindelijk bereikt waar natuurkundigen tientallen jaren op hebben gewacht: voor het eerst vangt een transmissie-elektronenmicroscoop een elektron zo helder op dat het de afzonderlijke componenten ervan kan zien. . Onderzoekers geloven dat ze een geheel nieuw gebied van optische wetenschap hebben ontsloten dat ze nu ‘atoommicroscopie’ noemen en dat een impact zal hebben op de werelden van de kwantumfysica, biologie en scheikunde.
Deze ontdekking komt van een team onder leiding van experts van de Universiteit van Arizona en wordt gedetailleerd beschreven in een nieuwe studie die op de 21e is gepubliceerd. Wetenschappelijke vooruitgang. Mohammed Hassan, universitair hoofddocent natuurkunde en optische wetenschappen, vergelijkt transmissie-elektronenmicroscopen met een smartphonecamera.
“Als je de nieuwste versie van een smartphone krijgt, wordt deze geleverd met een betere camera”, zei Hassan woensdag in een begeleidende verklaring van de universiteit. “…met deze microscoop hopen we dat de wetenschappelijke gemeenschap de kwantumfysica kan begrijpen achter hoe een elektron zich gedraagt en hoe een elektron beweegt.”
[Related: Winners of the 2023 Nobel Prize in physics measured electrons by the attosecond.]
Terwijl de oorspronkelijke elektronenmicroscoop begin jaren dertig verscheen (tot op de dag van vandaag bestaat er nog steeds controverse over wie hem het eerst heeft uitgevonden), vertrouwen wetenschappers sinds de jaren 2000 op wat bekend staat als transmissie-elektronenmicroscopen. In deze apparaten worden objecten miljoenen keren groter vergroot dan wat lichtmicroscopen kunnen bereiken. Dit komt doordat ze afhankelijk zijn van pulsen van elektronenlaserstralen die op een doel worden afgevuurd. Van daaruit registreren uiterst nauwkeurige camerasensoren en lenzen deze atomaire deeltjes terwijl ze door het monster gaan. De veranderingen die tussen deze beelden in het onderwerp worden waargenomen, worden de temporele resolutie van de microscoop genoemd. Om de resolutie te verhogen, wendden de onderzoekers zich tot het versnellen van die laseruitbarstingen tot attoseconden die slechts een quintiljoenste van een seconde duurden.
Maar zelfs hier is het probleem “attoseconden”, meervoud. Als natuurkundigen ooit hoopten een enkel elektron dat op zijn plaats bevroren was, vast te leggen en de onbegrijpelijk snelle subatomaire reacties en interacties ervan in detail te beschrijven, zouden ze een transmissie-elektronenmicroscoop nodig hebben die in staat is een enkele attosecondepuls af te vuren. Om dit werkelijkheid te maken, gingen de onderzoekers aan de slag met werk dat was geïnitieerd door de winnaars van de Nobelprijs voor de Natuurkunde van 2023, die de eerste puls van extreme ultraviolette straling genereerden, ook gemeten in attoseconden. Met die basis bereikte het team eindelijk die ene attoseconde-benchmark.
Om dit te doen, ontwikkelden en bouwden de onderzoekers een nieuwe microscoop die de laser splitst in één puls elektronen en twee pulsen ultrakort licht. De eerste lichtpuls, de pomppuls genoemd, drijft de elektronen van het monster aan. Vervolgens wordt een zogenaamde optische poortpuls geactiveerd, waardoor een oneindig klein tijdvenster mogelijk is waarin een attoseconde-elektron door de microscoop kan worden uitgezonden. Zodra de twee ultrakorte lichtpulsen correct zijn gesynchroniseerd, timen operators de elektronenpulsen om atomaire gebeurtenissen met een tijdsresolutie van attoseconden te helpen vastleggen.
“Het verbeteren van de temporele resolutie binnen elektronenmicroscopen wordt al lang verwacht en is de focus van veel onderzoeksgroepen”, zei Hassan woensdag. “…Voor het eerst kunnen we stukjes elektronen in beweging zien.”
Volgens het onderzoekssamenvatting zal de attoseconde microscoop natuurkundigen, opticiens en andere experts in staat stellen elektronenbewegingen in ongekend detail te bestuderen en “dit direct te koppelen aan de structurele dynamiek van materie in realtime en ruimte.” Dit zal, zo zeggen zij, hopelijk de weg vrijmaken voor “real-world toepassingen van attosecondewetenschap in de kwantumfysica, scheikunde en biologie”.