Elektronen in atomen zijn behoorlijk getalenteerd. Ze kunnen chemische bindingen vormen, uit het atoom worden geschopt en zelfs "springen" naar verschillende locaties op basis van hun energetische toestand.

1961, atoomfysicus Ugo Fano theoretiseerde dat elektronen een ander en onverwacht talent herbergen:ze kunnen met zichzelf interfereren omdat ze tegelijkertijd twee verschillende kwantummechanische paden nemen. Op één pad, ze springen binnen het atoom tussen discrete energietoestanden. Op het andere pad, ze springen van het atoom in het continuüm van vrije ruimte. Fano ontwikkelde zijn theorie na bestudering van het elektronische spectrum van heliumgas geëxciteerd door een elektronenstraal. Volgens de theorie van Fano, de elektronen in de heliumatomen bewogen door twee soorten energietransities, de ene discreet en de andere continu, wat resulteerde in destructieve interferentie door hun gesynchroniseerde vermenging.

Hoewel het bijna 60 jaar geleden is dat Fano zijn theoretische verklaring publiceerde - nu bekend als Fano-interferentie - hebben wetenschappers moeite gehad om dit effect op nanoschaal waar te nemen met behulp van een elektronenmicroscoop. Een team onder leiding van wetenschappers van de Universiteit van Washington en de Universiteit van Notre Dame gebruikte recente ontwikkelingen in elektronenmicroscopie om Fano-interferenties direct in een paar metalen nanodeeltjes waar te nemen. volgens een paper gepubliceerd op 21 oktober in Fysieke beoordelingsbrieven en benadrukt door de redactie van het tijdschrift.

"Fano beschreef een gecompliceerd - en zelfs contra-intuïtief - type energieoverdracht dat in deze systemen kan voorkomen, " zei co-corresponderende auteur David Masiello, een UW hoogleraar scheikunde. "Het is alsof je twee kinderen hebt op aangrenzende schommels die zwak aan elkaar zijn gekoppeld:je duwt een kind, maar die schommel is niet degene die beweegt. In plaats daarvan, de schommel van het andere kind beweegt als gevolg van deze interferentie. Het is een energieoverdracht in één richting."

Masiello, een theoreticus, samen met co-corresponderende auteur en experimentator Jon Camden, een professor in de chemie en biochemie aan de Universiteit van Notre Dame, om te werken aan Fano-interferenties in elektronenmicroscopie. In een publicatie uit 2013 in ACS Nano , de twee, samen met leden van Masiello's groep aan de UW, theoretiseerde dat ze Fano-interferenties in bepaalde soorten plasmonische nanostructuren zouden kunnen veroorzaken. Dit zijn experimenteel testbare systemen - meestal bestaande uit zilver of goud of soortgelijke muntmetalen - waarin elektronen gemakkelijk kunnen worden gemobiliseerd en "opgewonden" als reactie op licht of een elektronenstraal.

Masiello en Camden geloofden dat het mogelijk zou zijn om een ​​systeem te ontwerpen en te bouwen dat Fano-interferenties zou vertonen met behulp van plasmonische componenten op nanoschaal. Maar, het creëren van dit effect zou een uiterst nauwkeurige elektronenstraal vereisen, waarin de elektronen allemaal ongeveer dezelfde kinetische energie hebben. De onderzoekers werkten samen met Juan Carlos Idrobo, een wetenschapper aan het Oak Ridge National Laboratory. Oak Ridge herbergt een geavanceerde elektronenmicroscopiefaciliteit, inclusief de monochromatische aberratie-gecorrigeerde scanning transmissie-elektronenmicroscoop die het team nodig zou hebben.

"Dit is de Lamborghini onder de elektronenmicroscopen, en het vertegenwoordigt een zeer recente en geavanceerde vooruitgang in elektronenmicroscopie, "zei Masiello. "Dit experiment zou zelfs enkele jaren geleden niet mogelijk zijn geweest."

Maar het ontwerpen en vervaardigen van het juiste plasmonische systeem was ook een uitdaging voor het team.

"De vraag, 'Kunnen we deze Fano-interferentie zien in elektronenmicroscopie?' was veel ingewikkelder dan we hadden verwacht, "zei Camden. "Al vroeg realiseerden we ons dat de ideeën die ons team had bedacht niet werkten. Maar uiteindelijk, door vallen en opstaan, we hebben het goed."

Het team van Masiello werkt zowel aan de theorie van plasmonen als aan de theorie van elektronenmicroscopie. Ze gebruikten analytische modellen van het gedrag van plasmonische systemen om de fysieke lay-out te ontwerpen, evenals het interpreteren van het spectrum, van een volledig plasmonisch systeem. Dit systeem zou het interferentie-effect coderen dat het team zocht op de verstrooide elektronen van de microscoop. Eerste auteur en UW-doctoraat natuurkunde Kevin Smith stelde vast dat een "gouden lolly" optimaal was. Het systeem dat hij ontwierp bestaat uit een dunne, gouden schijf - slechts 650 nanometer in diameter - zit naast, maar niet aanraken, een gouden nanostaaf slechts 5, 000 nanometer lang. Als referentie, ongeveer 20 van die nanostaafjes - end-to-end op een rij - zouden gelijk zijn aan de dikte van een stuk papier.

Volgens Smith's theoretische ontwerp en wiskundige analyse, een elektronenstraal die net buiten de gouden schijf van de lolly wordt gericht, zou de veelbetekenende tekenen van een Fano-interferentie veroorzaken:elektronen in de verre staaf zouden beginnen te oscilleren, alleen door de schijf aangedreven.

"Dat is precies wat we zagen toen onze medewerkers bij Oak Ridge het systeem testten, " zei Smit.

Het succes van het team toont niet alleen aan dat het mogelijk is om Fano-interferenties direct in een plasmonisch systeem op te wekken met behulp van een elektronenstraal. Het biedt ook nieuwe theoretische kaders en modellen voor het werken met geavanceerde elektronenmicroscopen, zoals de faciliteiten die aanwezig zijn in het Oak Ridge National Laboratory.

"Er is een opwindend niveau van precisie mogelijk met dit soort elektronenmicroscopen, "zei Masiello. "Het opent de deur naar meer van dit soort experimenten - een combinatie van ruimtelijke resolutie op atoomschaal met een hoge spectrale resolutie van het zichtbare spectrum tot het verre infrarood."