Al meer dan tien jaar is het voor natuurkundigen mogelijk om met behulp van een speciaal type microscoop de locatie van individuele atomen nauwkeurig te meten tot een nauwkeurigheid kleiner dan een duizendste millimeter. Deze methode heeft tot nu toe echter alleen de x- en y-coördinaten opgeleverd. Informatie over de verticale positie van het atoom ontbreekt.

Er is nu een nieuwe methode ontwikkeld die met één enkel beeld alle drie de ruimtelijke coördinaten van een atoom kan bepalen. Deze methode – ontwikkeld door de Universiteit van Bonn en de Universiteit van Bristol – is gebaseerd op een ingenieus natuurkundig principe. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review A .

Iedereen die tijdens een biologieles een microscoop heeft gebruikt om een ​​plantencel te bestuderen, zal zich waarschijnlijk een soortgelijke situatie kunnen herinneren. Het is gemakkelijk te zeggen dat een bepaalde chloroplast zich boven en rechts van de kern bevindt.

Maar bevinden ze zich allebei in hetzelfde vliegtuig? Zodra je echter de focus op de microscoop aanpast, zie je dat het beeld van de kern scherper wordt terwijl het beeld van de chloroplast vervaagt. Een van hen moet iets hoger zijn, en de een iets lager dan de ander. Deze methode kan ons echter geen precieze details geven over hun verticale posities.

Het principe lijkt erg op elkaar als je individuele atomen wilt observeren in plaats van cellen. Hiervoor kan zogenaamde kwantumgasmicroscopie worden gebruikt. Hiermee kunt u eenvoudig de x- en y-coördinaten van een atoom bepalen. Het is echter veel moeilijker om de z-coördinaat, dat wil zeggen de afstand tot de objectieflens, te meten:om erachter te komen in welk vlak het atoom zich bevindt, moeten er meerdere beelden worden gemaakt waarin de focus over verschillende vlakken wordt verschoven. .

Dit is een complex en tijdrovend proces.

Ronde stippen in halters veranderen

"We hebben nu een methode ontwikkeld waarmee dit proces in één stap kan worden voltooid", legt Tangi Legrand van het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde (IAP) van de Universiteit van Bonn uit. “Om dit te bereiken maken we gebruik van een effect dat in theorie al sinds de jaren negentig bekend is, maar dat nog niet in een kwantumgasmicroscoop was gebruikt.”

Om met de atomen te kunnen experimenteren, is het eerst nodig om ze aanzienlijk af te koelen, zodat ze nauwelijks meer bewegen. Daarna is het bijvoorbeeld mogelijk ze te vangen in een staande golf van laserlicht. Vervolgens glijden ze in de troggen van de golf, net zoals eieren in een eierdoos zitten.

Eenmaal gevangen worden ze, om hun positie te onthullen, blootgesteld aan een extra laserstraal, die hen stimuleert om licht uit te zenden. De resulterende fluorescentie verschijnt in de kwantumgasmicroscoop als een enigszins wazig, rond stipje.

"We hebben nu een speciale methode ontwikkeld om het golffront van het licht dat door het atoom wordt uitgezonden te vervormen", legt dr. Andrea Alberti uit. De onderzoeker, die inmiddels is overgestapt van het IAP naar het Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching, nam ook deel aan het onderzoek.

"In plaats van de typische ronde stippen produceert het vervormde golffront een haltervorm op de camera die om zichzelf draait. De richting waarin deze halter wijst, is afhankelijk van de afstand die het licht moest afleggen van het atoom naar de camera."

"De halter gedraagt ​​zich dus een beetje als de naald van een kompas, waardoor we de z-coördinaat kunnen aflezen volgens zijn oriëntatie", zegt prof. dr. Dieter Meschede. De IAP-onderzoeker, wiens onderzoeksgroep het onderzoek uitvoerde, is ook lid van het transdisciplinaire onderzoeksgebied "Matter" aan de Universiteit van Bonn.

Belangrijk voor experimenten in de kwantummechanica

De nieuwe methode maakt het mogelijk om met één enkel beeld de positie van een atoom in drie dimensies nauwkeurig te bepalen. Dit is bijvoorbeeld van belang als je kwantummechanische experimenten met atomen wilt uitvoeren, omdat het vaak essentieel is om hun positie nauwkeurig te kunnen controleren of volgen. Hierdoor kunnen onderzoekers de atomen op de gewenste manier met elkaar laten interacteren.

Bovendien zou de methode ook kunnen worden gebruikt om nieuwe kwantummaterialen met bijzondere eigenschappen te helpen ontwikkelen. “We zouden bijvoorbeeld kunnen onderzoeken welke kwantummechanische effecten optreden als atomen in een bepaalde volgorde worden gerangschikt”, legt dr. Carrie Weidner van de Universiteit van Bristol uit. "Dit zou ons in staat stellen de eigenschappen van driedimensionale materialen tot op zekere hoogte te simuleren zonder ze te hoeven synthetiseren."

Meer informatie: Tangi Legrand et al., Driedimensionale beeldvorming van afzonderlijke atomen in een optisch rooster via helix point-spread-function engineering, Fysieke recensie A (2024). DOI:10.1103/PhysRevA.109.033304. Op arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2312.05341

Aangeboden door Universiteit van Bonn