Et glimt inde i atomet

Et elektronmikroskop kan ikke bare snappe et foto, som et mobiltelefonkamera kan. Et elektronmikroskops evne til at forestille sig en struktur - og hvor vellykket denne billeddannelse vil være - afhænger af, hvor godt du forstår strukturen. Komplekse fysikberegninger er ofte nødvendige for at udnytte potentialet ved elektronmikroskopi fuldt ud. Et internationalt forskerhold ledet af TU Wiens prof. Peter Schattschneider satte sig for at analysere mulighederne ved EFTEM, det er energifiltreret transmissionselektronmikroskopi. Holdet demonstrerede numerisk, at under visse betingelser, det er muligt at få klare billeder af kredsløbet for hver enkelt elektron i et atom. Elektronmikroskopi kan derfor bruges til at trænge ned til det subatomære niveau - eksperimenter i dette område er allerede planlagt. Undersøgelsen er nu blevet offentliggjort i det fysiske tidsskrift Fysisk gennemgangsbreve .

På jagt efter elektronens kredsløb

Vi tænker ofte på atomelektroner som små kugler, der cirkler rundt om atomets kerne som små planeter omkring en sol. Dette billede afspejles næsten ikke i virkeligheden, imidlertid. Lovene i kvantefysikken siger, at elektronens position ikke kan defineres klart på et givet tidspunkt. Elektronen smøres effektivt over et område tæt på kernen. Det område, der kunne indeholde elektronen, kaldes orbitalen. Selvom det har været muligt at beregne formen på disse orbitaler i lang tid, bestræbelser på at forestille dem med elektronmikroskoper har hidtil været uden succes.

"Vi har beregnet, hvordan vi kan have en chance for at visualisere orbitaler med et elektronmikroskop", siger Stefan Löffler fra University Service Center for Transmission Electron Microscopy (USTEM) på TU Wien. "Graphene, som er lavet af kun et enkelt lag carbonatomer, er en fremragende kandidat til denne opgave. Elektronstrålen er let i stand til at passere gennem grafen med næsten ingen elastisk spredning. Et billede af grafenstrukturen kan oprettes med disse elektroner. "

Forskere har været klar over princippet om "energifiltreret transmissionselektronmikroskopi" (EFTEM) i nogen tid. EFTEM kan bruges til at skabe ganske specifikke visualiseringer af bestemte former for atomer, mens de andre blokeres. Af denne grund, den bruges ofte i dag til at analysere den kemiske sammensætning af mikroskopiske prøver. "Elektronerne skudt gennem prøven kan ophidse prøvens atomer", forklarer Stefan Löffler. "Det koster energi, så når elektronerne, der kommer frem fra prøven, de er langsommere end da de kom ind i den. Denne hastighed og energiforandring er karakteristisk for visse excitationer af elektronorbitaler i prøven. "

Efter at elektronerne har passeret prøven, et magnetfelt sorterer elektronerne efter energi. "Et filter bruges til at blokere elektroner, der ikke er af interesse:Det optagne billede indeholder kun de elektroner, der bærer den ønskede information."

Defekter kan være nyttige

Teamet brugte simuleringer til at undersøge, hvordan denne teknik kunne hjælpe med at nå et vendepunkt i undersøgelsen af ​​elektronorbitaler. Mens du gør det, de opdagede noget, der faktisk lettede billeddannelsen af ​​individuelle orbitaler:"Grafens symmetri skal brydes", siger Stefan. "Hvis, for eksempel, der er et hul i grafenstrukturen, atomer lige ved siden af ​​dette hul har en lidt anden elektronisk struktur, gør det muligt at forestille orbitaler af disse atomer. Det samme kan ske, hvis der findes et nitrogenatom frem for et carbonatom et sted i grafen. Når du gør dette, det er vigtigt at fokusere på elektronerne i et smalt og præcist energivindue, minimere visse afvigelser i den elektromagnetiske linse og sidst men ikke mindst, brug et førsteklasses elektronmikroskop. "Alle disse spørgsmål kan overvindes, imidlertid, som forskergruppens beregninger viser.

Humboldt-Universität zu Berlin, Universitetet Ulm, og McMaster University i Canada arbejdede også sammen med TU Wien om undersøgelsen i et fælles FWF-DFG-projekt ("Towards orbital mapping", I543-N20) og et FWF Erwin-Schrödinger-projekt ("EELS at interfaces", J3732-N27). Ulm udvikler i øjeblikket et nyt, højtydende transmissionselektronmikroskop, der vil blive brugt til at omsætte disse ideer i praksis i den nærmeste fremtid. De første resultater har allerede overgået forventningerne.