Forskere demonstrerer attosekund boost for elektronmikroskopi

Et team af fysikere fra universitetet i Konstanz og Ludwig-Maximilians-Universität München i Tyskland har opnået attosekundlig tidsopløsning i et transmissionselektronmikroskop ved at kombinere det med en kontinuerlig bølgelaser-der giver ny indsigt i lys-stof-interaktioner.

Elektronmikroskoper giver dyb indsigt i materiens mindste detaljer og kan afsløre, for eksempel, atomkonfiguration af materialer, strukturen af ​​proteiner eller formen på viruspartikler. Imidlertid, de fleste materialer i naturen er ikke statiske og interagerer snarere, flytte og omforme hele tiden. Et af de mest almindelige fænomener er samspillet mellem lys og stof, som er allestedsnærværende i planter såvel som i optiske komponenter, solceller, skærme eller lasere. Disse interaktioner - som er defineret ved, at elektroner flyttes rundt af feltbelysningen i en lysbølge - sker på ultrahurtige tidsskalaer på femtosekunder (10 ^-15 sekunder) eller endda attosekunder (10 ^-18 sekunder, en milliarddel af en milliarddel af et sekund). Selvom ultrahurtig elektronmikroskopi kan give et indblik i femtosekundprocesser, det har ikke været muligt, indtil nu, at visualisere reaktionsdynamikken for lys og stof, der forekommer ved attosekundhastigheder.

Nu, et team af fysikere fra universitetet i Konstanz og Ludwig-Maximilians-Universität München er lykkedes med at kombinere et transmissionselektronmikroskop med en kontinuerlig bølgelaser til at skabe et prototypisk attosekundelektronmikroskop (A-TEM). Resultaterne er rapporteret i det seneste nummer af Videnskab fremskridt.

Modulering af elektronstrålen

"Grundlæggende fænomener i optik, nanofotonik eller metamaterialer sker på samme tidspunkt, kortere end en lyscyklus, "forklarer professor Peter Baum, hovedforfatter på studiet og leder af forskningsgruppen Light and Matter ved University of Konstanz's Department of Physics. "For at kunne visualisere ultrahurtige interaktioner mellem lys og stof kræver en tidsopløsning under lysets oscillationsperiode." Konventionelle transmissionselektronmikroskoper bruger en kontinuerlig elektronstråle til at belyse en prøve og skabe et billede. For at opnå attosekundstidsopløsning, teamet ledet af Baum bruger de hurtige svingninger af en kontinuerlig bølgelaser til at modulere elektronstrålen inde i mikroskopet i tide.

Ultrakorte elektronpulser

Nøglen til deres eksperimentelle tilgang er en tynd membran, som forskerne bruger til at bryde symmetrien i laserbølgens optiske cyklusser. Dette får elektronerne til at accelerere og bremse hurtigt efter hinanden. "Som resultat, elektronstrålen inde i elektronmikroskopet omdannes til en række ultrakorte elektronpulser, kortere end en halv optisk cyklus af laserlyset, "siger første forfatter Andrey Ryabov, en postdoktorforsker på undersøgelsen. Endnu en laserbølge, som er adskilt fra den første, bruges til at ophidse et optisk fænomen i en prøve af interesse. De ultrakorte elektronpulser undersøger derefter prøven og dens reaktion på laserlyset. Ved at scanne den optiske forsinkelse mellem de to laserbølger, forskerne er derefter i stand til at opnå optagelser i attosekundopløsning af den elektromagnetiske dynamik inde i prøven.

Enkle ændringer, stor indvirkning

"Den største fordel ved vores metode er, at vi er i stand til at bruge den tilgængelige kontinuerlige elektronstråle inde i elektronmikroskopet frem for at skulle ændre elektronkilden. Det betyder, at vi har en million gange flere elektroner i sekundet, dybest set kildens fulde lysstyrke, hvilket er nøglen til enhver praktisk anvendelse, "fortsætter Ryabov. En anden fordel er, at de nødvendige tekniske ændringer er ret enkle og ikke kræver elektronpistolændringer.

Som resultat, det er nu muligt at opnå attosekundopløsning i en hel række rum-tid billeddannelsesteknikker såsom tidsopløst holografi, bølgeformelektronmikroskopi eller laserassisteret elektronspektroskopi, blandt andre. På lang sigt, attosecond elektronmikroskopi kan hjælpe med at afdække den atomistiske oprindelse af lys-stof-interaktioner i komplekse materialer og biologiske stoffer.

Undersøgelsen er offentliggjort i Videnskab fremskridt .