Een team van natuurkundigen van de Universiteit van Konstanz en Ludwig-Maximilians-Universität München in Duitsland hebben een resolutie van een seconde in een transmissie-elektronenmicroscoop bereikt door deze te combineren met een continue-golflaser, wat nieuwe inzichten biedt in licht-materie-interacties.

Elektronenmicroscopen geven diep inzicht in de kleinste details van materie en kunnen onthullen, bijvoorbeeld, de atomaire configuratie van materialen, de structuur van eiwitten of de vorm van virusdeeltjes. Echter, de meeste materialen in de natuur zijn niet statisch en werken eerder op elkaar in, bewegen en hervormen de hele tijd. Een van de meest voorkomende verschijnselen is de interactie tussen licht en materie, die alomtegenwoordig is in zowel planten als optische componenten, zonnepanelen, beeldschermen of lasers. Deze interacties - die worden bepaald door elektronen die worden verplaatst door de veldcycli van een lichtgolf - vinden plaats op ultrasnelle tijdschalen van femtoseconden (10 ^-15 seconden) of zelfs attoseconden (10 ^-18 seconden, een miljardste van een miljardste van een seconde). Hoewel ultrasnelle elektronenmicroscopie enig inzicht kan geven in femtosecondeprocessen, het is niet mogelijk geweest, tot nu, om de reactiedynamiek van licht en materie met snelheden van attoseconden te visualiseren.

Nutsvoorzieningen, een team van natuurkundigen van de Universiteit van Konstanz en Ludwig-Maximilians-Universität München is erin geslaagd om een ​​transmissie-elektronenmicroscoop te combineren met een continue-golflaser om een ​​prototypische attoseconde elektronenmicroscoop (A-TEM) te creëren. De resultaten worden gerapporteerd in het laatste nummer van Vooruitgang in de wetenschap.

De elektronenstraal moduleren

"Basisverschijnselen in de optica, nanofotonica of metamaterialen gebeuren op attoseconde tijden, korter dan een lichtcyclus, " legt professor Peter Baum uit, hoofdauteur van de studie en hoofd van de onderzoeksgroep Licht en Materie aan de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Konstanz. "Om ultrasnelle interacties tussen licht en materie te kunnen visualiseren, is een tijdresolutie nodig die lager is dan de oscillatieperiode van licht." Conventionele transmissie-elektronenmicroscopen gebruiken een continue elektronenstraal om een ​​monster te verlichten en een beeld te creëren. Om attoseconde tijdresolutie te bereiken, het team onder leiding van Baum gebruikt de snelle oscillaties van een continue-golflaser om de elektronenstraal in de microscoop op tijd te moduleren.

Ultrakorte elektronenpulsen

Sleutel tot hun experimentele aanpak is een dun membraan dat de onderzoekers gebruiken om de symmetrie van de optische cycli van de lasergolf te doorbreken. Dit zorgt ervoor dat de elektronen snel achter elkaar versnellen en vertragen. "Als resultaat, de elektronenbundel in de elektronenmicroscoop wordt omgezet in een reeks ultrakorte elektronenpulsen, korter dan een halve optische cyclus van het laserlicht, " zegt eerste auteur Andrey Ryabov, een postdoctoraal onderzoeker op de studie. Nog een lasergolf, die is afgesplitst van de eerste, wordt gebruikt om een ​​optisch fenomeen op te wekken in een monster van belang. De ultrakorte elektronenpulsen tasten vervolgens het monster en zijn reactie op het laserlicht af. Door de optische vertraging tussen de twee lasergolven te scannen, de onderzoekers zijn dan in staat om beelden met een resolutie van attoseconden te verkrijgen van de elektromagnetische dynamiek in het monster.

Eenvoudige aanpassingen, grote impact

"Het belangrijkste voordeel van onze methode is dat we de beschikbare continue elektronenbundel in de elektronenmicroscoop kunnen gebruiken in plaats van de elektronenbron aan te passen. Dit betekent dat we een miljoen keer meer elektronen per seconde hebben, eigenlijk de volledige helderheid van de bron, wat de sleutel is tot alle praktische toepassingen, " vervolgt Ryabov. Een ander voordeel is dat de noodzakelijke technische aanpassingen vrij eenvoudig zijn en geen aanpassingen aan het elektronenkanon vereisen.

Als resultaat, het is nu mogelijk om een ​​resolutie van attoseconden te bereiken in een hele reeks ruimte-tijd-beeldvormingstechnieken zoals tijd-opgeloste holografie, golfvormelektronenmicroscopie of laserondersteunde elektronenspectroscopie, onder anderen. Op de lange termijn, attoseconde elektronenmicroscopie kan helpen om de atomistische oorsprong van licht-materie-interacties in complexe materialen en biologische stoffen bloot te leggen.

De studie is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .