Microscopen van zichtbaar licht stellen wetenschappers in staat om kleine objecten zoals levende cellen te zien. Nog, ze kunnen niet onderscheiden hoe elektronen zijn verdeeld over atomen in vaste stoffen. Nutsvoorzieningen, onderzoekers met Prof. Eleftherios Goulielmakis van de Extreme Photonics Labs aan de Universiteit van Rostock en het Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching, Duitsland, samen met medewerkers van het Institute of Physics van de Chinese Academie van Wetenschappen in Peking, hebben een nieuw type lichtmicroscoop ontwikkeld, genaamd de picoscoop, die deze beperking overwint.

De onderzoekers gebruikten krachtige laserflitsen om dunne films van kristallijne materialen te bestralen. Deze laserpulsen dreven kristalelektronen in een snelle wiebelende beweging. Terwijl de elektronen terugkaatsten tegen de omringende elektronen, ze straalden straling uit in het extreem ultraviolette deel van het spectrum. Door de eigenschappen van deze straling te analyseren, de onderzoekers maakten foto's die illustreren hoe de elektronenwolk is verdeeld over atomen in het kristalrooster van vaste stoffen met een resolutie van enkele tientallen picometers, die miljardsten van een millimeter zijn. De experimenten effenen de weg voor een nieuwe klasse van op laser gebaseerde microscopen waarmee natuurkundigen, chemici, en materiaalwetenschappers om met ongekende resolutie in de details van de microkosmos te kijken en de chemische en elektronische eigenschappen van materialen te begrijpen en uiteindelijk te beheersen.

Al decenia, wetenschappers hebben flitsen van laserlicht gebruikt om de innerlijke werking van de microkosmos te begrijpen. Dergelijke laserflitsen kunnen nu ultrasnelle microscopische processen in vaste stoffen volgen. Nog altijd, ze kunnen elektronen niet ruimtelijk oplossen, d.w.z., zie hoe elektronen de minuscule ruimte tussen atomen in kristallen innemen, of hoe ze de chemische bindingen vormen die atomen bij elkaar houden. Ernst Abbe ontdekte de reden meer dan een eeuw geleden. Zichtbaar licht kan alleen objecten onderscheiden die qua grootte in overeenstemming zijn met de golflengte, dat is ongeveer enkele honderden nanometers. Maar om elektronen te zien, de microscopen moeten hun vergrotingsvermogen een paar duizend keer vergroten.

Om deze beperking te overwinnen, Goulielmakis en collega's sloegen een andere weg in. Ze ontwikkelden een microscoop die werkt met krachtige laserpulsen. Ze noemden hun apparaat een Light Picoscope. "Een krachtige laserpuls kan elektronen in kristallijne materialen dwingen om de fotografen van de ruimte om hen heen te worden, " zei Harshit Lakhotia, een onderzoeker van de groep.

Wanneer de laserpuls het kristal binnendringt, het kan een elektron grijpen en het in een snelle wiebelende beweging drijven. "Terwijl het elektron beweegt, het voelt de ruimte eromheen, net zoals uw auto het oneffen oppervlak van een hobbelige weg voelt, " zei Lakhotia. Wanneer de lasergestuurde elektronen een hobbel kruisen die is gemaakt door andere elektronen of atomen, het vertraagt ​​en zendt straling uit met een frequentie die veel hoger is dan die van de lasers. "Door de eigenschappen van deze straling vast te leggen en te analyseren, we kunnen de vorm van deze minuscule hobbels afleiden, en we kunnen tekeningen maken die laten zien waar de elektronendichtheid in het kristal hoog of laag is, " zei Hee-Yong Kim, een promovendus in de Extreme Photonics Labs. "Laserpicoscopy combineert het vermogen om in het grootste deel van materialen te kijken, zoals röntgenstralen, en dat van het onderzoeken van valentie-elektronen. Dat laatste is mogelijk door tunnelmicroscopen te scannen, maar alleen op oppervlakken."

Sheng Meng, van het Instituut voor Natuurkunde, Peking, en een theoretische vastestoffysicus in het onderzoeksteam, zei, "Met een microscoop die in staat is om te sonderen, de valentie-elektronendichtheid kunnen we binnenkort de prestaties van computationele solid-state physics-tools benchmarken. We kunnen moderne, state-of-the-art modellen om de eigenschappen van materialen met steeds fijnere details te voorspellen. Dit is een opwindend aspect dat laserpicoscopie met zich meebrengt."

Nutsvoorzieningen, de onderzoekers werken aan de verdere ontwikkeling van de techniek. Ze zijn van plan om elektronen in drie dimensies te onderzoeken en de methode verder te benchmarken met een breed scala aan materialen, waaronder 2-D en topologische materialen. "Omdat laserpicoscopie gemakkelijk kan worden gecombineerd met in de tijd opgeloste lasertechnieken, het kan binnenkort mogelijk worden om echte films van elektronen in materialen op te nemen. Dit is een lang gezocht doel in ultrasnelle wetenschappen en microscopie van materie, ' zei Goulielmakis.