Hvordan kvantesærlighed forbedrer elektronmikroskoper

Quantum weirdness åbner nye døre for elektronmikroskoper, kraftfulde værktøjer, der bruges til billeddannelse i høj opløsning.

To nye fremskridt fra UO-fysikeren Ben McMorrans laboratorium forfiner mikroskoperne. Begge kommer fra at drage fordel af et grundlæggende princip i kvantemekanikken:at en elektron kan opføre sig samtidigt som en bølge og en partikel. Det er et af mange eksempler på mærkelige særheder på kvanteniveau, hvor subatomære partikler ofte opfører sig på måder, der synes at overtræde den klassiske fysiks love.

En af undersøgelserne finder en måde at studere et objekt under mikroskopet uden at komme i kontakt med det, hvilket forhindrer sig i at beskadige skrøbelige prøver. Og den anden udtænker en måde at foretage to målinger på en prøve på én gang, hvilket giver en måde at studere, hvordan partikler i det objekt potentielt interagerer på tværs af afstande.

McMorran og hans kolleger rapporterer deres resultater i to artikler, begge offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Letters .

"Det er ofte svært at observere noget uden at påvirke det, især når du ser på detaljer," sagde McMorran. "Kvantefysik ser ud til at give os en måde at se mere på tingene uden at forstyrre dem."

Elektronmikroskoper bruges til at få nærbilleder af proteiner og celler såvel som ikke-biologiske prøver, som nye slags materialer. I stedet for lys, der bruges i mere traditionelle mikroskoper, fokuserer elektronmikroskoper en stråle af elektroner på en prøve. Når strålen interagerer med prøven, ændres nogle af dens karakteristika. En detektor måler ændringerne i strålen, som derefter bliver oversat til et billede i høj opløsning.

Men den kraftige elektronstråle kan forårsage skade på skrøbelige strukturer i prøven. Over tid kan det forringe selve de detaljer, som videnskabsmænd forsøger at studere.

Som en løsning brugte McMorrans team et tankeeksperiment offentliggjort i begyndelsen af ​​1990'erne, som foreslog en måde at opdage en følsom bombe uden at røre den og risikere at sætte den i gang.

Tricket er afhængigt af et værktøj kaldet et diffraktionsgitter, en tynd membran med mikroskopiske spalter i. Når elektronstrålen rammer diffraktionsgitteret, bliver den delt i to.

Med den rigtige justering af disse strålesplittende diffraktionsgitre, "kommer elektronen ind og bliver delt i to veje, men rekombinerer derefter, så den kun går til en af ​​de to mulige output," sagde Amy Turner, en kandidatstuderende i McMorran's laboratoriet, der ledede den første undersøgelse. "Ideen er, at når du indsætter en prøve, bliver elektronens interaktion med sig selv afbrudt."

I denne opsætning rammer elektronerne ikke prøven, som de gør i traditionel elektronmikroskopi. I stedet afslører den måde, hvorpå elektronstrålen rekombinerer, information om prøven under skopet.

I en anden undersøgelse brugte McMorrans team en lignende diffraktionsgitteropsætning til at måle en prøve to steder på én gang. De splittede en elektronstråle, så den passerede på hver side af en lille guldpartikel, og målte de små energistykker, som elektroner overførte til partiklen på hver side.

Den tilgang kunne afsløre følsomme nuancer på atomniveau om en prøve, forstå den måde, partikler interagerer i en prøve.

"Det særlige ved dette er, at du kan se på to separate dele af det og derefter kombinere dem sammen for at se, om det er en kollektiv svingning, eller om de er ukorrelerede," sagde Cameron Johnson, en postdoc-forsker ved Lawrence Berkeley National Lab, der lavede sit arbejde. ph.d.-arbejde i McMorrans laboratorium og ledede undersøgelsen. "Vi kan gå ud over grænserne for mikroskopets energiopløsninger og probeinteraktioner, som normalt ikke er tilgængelige."

Mens de to undersøgelser laver forskellige slags målinger, bruger de den samme grundlæggende opsætning, som er kendt som interferometri. Medlemmer af McMorrans team mener, at deres værktøj kan være nyttigt ud over deres eget laboratorium til en række forskellige slags eksperimenter.

"Dette er det første elektroninterferometer af sin art," sagde Turner. "Folk har brugt diffraktionsgitre før, men dette er en funktionel, fleksibel version, der kan indstilles til forskellige eksperimenter."

Med de rigtige materialer og instruktioner kunne opsætningen føjes til mange eksisterende elektronmikroskoper, sagde McMorran. Hans team har allerede vakt interesse fra forskere ved andre laboratorier, der ønsker at bruge interferometeret i deres egne mikroskoper.

"Et elektronmikroskop lader os se på ting på atomær skala, men mange ting er svære at se, som biologiske materialer, der både er ret usynlige for elektroner og let beskadiges," tilføjede McMorran. "Men her viste vi, at vi kan bruge elektronernes kvantebølgeegenskaber til at omgå disse problemer, samt at få indsigt i den grundlæggende karakter af, hvordan disse elektronbølger interagerer med elektromagnetiske felter som lys." + Udforsk yderligere

En ny metode til at danne en linse til elektronmikroskoper med atomopløsning