Quantum weirdness opent nieuwe deuren voor elektronenmicroscopen, krachtige hulpmiddelen die worden gebruikt voor beeldvorming met hoge resolutie.

Twee nieuwe ontwikkelingen van het laboratorium van UO-natuurkundige Ben McMorran verfijnen de microscopen. Beide komen voort uit het profiteren van een fundamenteel principe van de kwantummechanica:dat een elektron zich tegelijkertijd kan gedragen als een golf en een deeltje. Het is een van de vele voorbeelden van vreemde eigenaardigheden op kwantumniveau waarin subatomaire deeltjes zich vaak gedragen op manieren die de wetten van de klassieke fysica lijken te schenden.

Een van de onderzoeken vindt een manier om een ​​object onder de microscoop te bestuderen zonder er contact mee te maken, waardoor wordt voorkomen dat de scoop kwetsbare monsters beschadigt. En de tweede bedenkt een manier om twee metingen aan een monster tegelijk uit te voeren, wat een manier biedt om te bestuderen hoe deeltjes in dat object mogelijk interageren over afstanden.

McMorran en zijn collega's rapporteren hun bevindingen in twee artikelen, beide gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters .

"Het is vaak moeilijk om iets te observeren zonder het te beïnvloeden, vooral als je naar details kijkt," zei McMorran. "De kwantumfysica lijkt ons een manier te bieden om meer naar de dingen te kijken zonder ze te verstoren."

Elektronenmicroscopen worden gebruikt om zowel eiwitten en cellen van dichtbij te bekijken als niet-biologische monsters, zoals nieuwe soorten materialen. In plaats van licht dat in meer traditionele microscopen wordt gebruikt, richten elektronenmicroscopen een bundel elektronen op een monster. Naarmate de bundel interageert met het monster, veranderen enkele van zijn kenmerken. Een detector meet de veranderingen in de straal, die vervolgens worden vertaald in een afbeelding met een hoge resolutie.

Maar die krachtige elektronenstraal kan fragiele structuren in het monster beschadigen. Na verloop van tijd kan het de details die wetenschappers proberen te bestuderen, verslechteren.

Als tijdelijke oplossing gebruikte het team van McMorran een gedachte-experiment dat begin jaren negentig werd gepubliceerd en dat een manier voorstelde om een ​​gevoelige bom te detecteren zonder hem aan te raken en het risico te lopen hem af te laten gaan.

De truc is gebaseerd op een hulpmiddel dat een diffractierooster wordt genoemd, een dun membraan met microscopisch kleine spleten erin. Wanneer de elektronenbundel het diffractierooster raakt, wordt deze in tweeën gesplitst.

Met de juiste uitlijning van deze bundelsplitsende diffractieroosters, "komt het elektron binnen en wordt het in twee paden gesplitst, maar recombineert het vervolgens zodanig dat het alleen naar een van de twee mogelijke uitgangen gaat", zegt Amy Turner, een afgestudeerde student in McMorran's laboratorium dat de eerste studie leidde. "Het idee is dat wanneer je een monster inbrengt, de interactie van het elektron met zichzelf wordt onderbroken."

In deze opstelling raken de elektronen het monster niet zoals bij traditionele elektronenmicroscopie. In plaats daarvan onthult de manier waarop de elektronenstraal recombineert informatie over het specimen onder de scoop.

In een ander onderzoek gebruikte het team van McMorran een vergelijkbare diffractieroosteropstelling om een ​​monster op twee plaatsen tegelijk te meten. Ze splitsten een elektronenstraal zodat deze aan weerszijden van een klein gouddeeltje passeerde, waarbij ze de kleine stukjes energie meten die elektronen aan elke kant naar het deeltje brachten.

Die benadering zou gevoelige nuances op atomair niveau over een monster kunnen onthullen, waardoor de manier wordt begrepen waarop deeltjes in een monster op elkaar inwerken.

"Het bijzondere hieraan is dat je naar twee afzonderlijke delen ervan kunt kijken en ze vervolgens kunt combineren om te zien of het een collectieve oscillatie is of dat ze niet gecorreleerd zijn", zegt Cameron Johnson, een postdoctoraal onderzoeker bij Lawrence Berkeley National Lab die zijn onderzoek deed. doctoraat in het laboratorium van McMorran en leidde de studie. "We kunnen verder gaan dan de limieten van de energieresoluties van de microscoop en probe-interacties die normaal gesproken onbereikbaar zijn."

Hoewel de twee onderzoeken verschillende soorten metingen doen, gebruiken ze dezelfde basisopstelling, die bekend staat als interferometrie. Leden van McMorrans team denken dat hun tool ook buiten hun eigen lab nuttig kan zijn, voor allerlei verschillende soorten experimenten.

"Dit is de eerste elektroneninterferometer in zijn soort," zei Turner. "Mensen hebben eerder diffractieroosters gebruikt, maar dit is een functionele, flexibele versie die kan worden afgestemd op verschillende experimenten."

Met de juiste materialen en instructies zou de opstelling aan veel bestaande elektronenmicroscopen kunnen worden toegevoegd, zei McMorran. Zijn team heeft al interesse gewekt van onderzoekers van andere laboratoria die de interferometer in hun eigen microscopen willen gebruiken.

"Met een elektronenmicroscoop kunnen we dingen op atomaire schaal bekijken, maar veel dingen zijn moeilijk te zien, zoals biologische materialen die zowel redelijk onzichtbaar zijn voor elektronen als gemakkelijk te beschadigen," voegde McMorran eraan toe. "Maar hier hebben we laten zien dat we de kwantumgolfeigenschappen van elektronen kunnen gebruiken om die problemen te omzeilen, en om inzicht te krijgen in de fundamentele aard van hoe deze elektronengolven interageren met elektromagnetische velden zoals licht." + Verder verkennen

Een nieuwe methode om een ​​lens te vormen voor elektronenmicroscopen met atomaire resolutie