Przełom w obrazowaniu elektronów

Nadchodzi nowa era mikroskopii. Elektrony oglądane dokładnie jak nigdy

Można z całą pewnością powiedzieć, że nadchodzi nowa era mikroskopii. Naukowcy połączyli skaningową mikroskopię tunelową z optycznymi metodami laserowymi i zaobserwowali poruszające się elektrony dokładne jak nigdy wcześniej.

Aby lepiej zrozumieć i kontrolować szybkie reakcje chemiczne, konieczne jest jak najdokładniejsze zbadanie zachowania elektronów – zarówno w przestrzeni, jak i czasie. Istniejące techniki mikroskopowe pozwalają uzyskać jedynie ostre obrazy przestrzenne lub czasowe. Dzięki połączeniu technik mikroskopii tunelowej i spektroskopii laserowej, zespół uczonych pod kierownictwem Klausa Kerna, dyrektora Instytutu Badań Ciała Stałego im. Maksa Plancka w Stuttgarcie, wreszcie pokonał te przeszkody. Wykorzystując atomowy mikroskop kwantowy udało się im uchwycić ruch elektronów w poszczególnych cząstkach.

Czytaj też: Mikroskopia rentgenowska weszła na nowy poziom. Naukowcy pobili rekord

Przełom w mikroskopii

Badanie dynamiki elektronów w molekułach jest niezbędne, nie tylko dla zrozumienia procesów biologicznych (np. fotosyntezy), ale także wielu zastosowań technicznych, np. w produkcji nowych tranzystorów czy ogniw fotowoltaicznych. Stosowane do tej pory metody obrazowania często dostarczały trudne do odtworzenia, a nawet sprzeczne obrazy. Było to spowodowane niemożnością bezpośredniego obrazowania szybkich elektronów – zamiast tego naukowcy uciekali się do metod pośrednich.

Stosując kombinację skaningowej mikroskopii tunelowej i spektroskopii laserowej z impulsami attosekundowymi, naukowcy sfilmowali elektrony w ułożonych obok siebie cząsteczkach PTCDA

Nowoczesne techniki mikroskopowe oferują praktycznie nieograniczone możliwości, ale stosujący je naukowcy muszą iść na pewne kompromisy. Na przykład, skaningowa mikroskopia tunelowa o rozdzielczości 0,1 pikometra pozwala na wykonywanie niezwykle ostrych zdjęć pojedynczych atomów. Jest jednak powolna i nie umożliwia odwzorować dynamiki elektronów w materiale. Z kolei metody optyczne z ultraszybkimi impulsami laserowymi mogą wykrywać ruchy elektronów w zakresie attosekund, ale nie oferują ostrych obrazów.

Przez ostatnie kilka lat pracowaliśmy nad połączeniem tych dwóch technik w taki sposób, aby móc wykorzystać ich mocne strony bez wprowadzania ich słabości.

Manish Garg, szef zespołu z Instytutu Badań Ciała Stałego im. Maxa Plancka

W skaningowym mikroskopie tunelowym cienka końcówka (sonda) przesuwa się tuż nad powierzchnią przewodzącą. Dzięki efektowi tunelowemu, elektrony mogą przepływać między powierzchnią a końcówką mikroskopu, nawet jeżeli nie ma bezpośredniego kontaktu między nimi. Nowa technika wykorzystuje impulsy laserowe do modulowania prądu tunelowego poprzez wybiórcze wzbudzanie elektronów w próbce.

To musi być zrobione bardzo szybko. W przeciwnym razie pojawiają się efekty termiczne, które uniemożliwiają przeprowadzenie pomiarów.

Alberto Martin-Jimenez z zespołu

Niestety, ultraszybkie impulsy laserowe w zakresie attosekund nie są dostępne „od ręki”, ale dzięki szybkiemu rozwojowi technologii, naukowcy są w stanie wygenerować dokładnie takie impulsy, jakich potrzebują. Dwa lata temu Garg i Kern po raz pierwszy zademonstrowali działanie atomowego mikroskopu kwantowego. Teraz naukowcom udało się bezpośrednio obserwować ruch elektronów w cząsteczkach.

Ta podstawowa technologia zapewnia zupełnie nowe możliwości bezpośredniej obserwacji procesów kwantowo-mechanicznych, takich jak przenoszenie ładunku w poszczególnych cząsteczkach, a tym samym ich lepszego zrozumienia.

Manish Garg

Technologia jest imponująca, ale fizycy nie wiedzą, co można z nią zrobić. Na tym etapie nie da się przewidzieć możliwych obszarów zastosowania mikroskopu kwantowego. Więcej można przeczytać na Nature Photonics.