Einfrieren der Elektronen: das revolutionäre Elektronenmikroskop mit nie dagewesener Geschwindigkeit

BerlinWissenschaftler der Universität Arizona haben das schnellste Elektronenmikroskop der Welt entwickelt. Dieses neue Mikroskop kann Bilder von Elektronen aufnehmen, während sie sich bewegen. Da sich Elektronen sehr schnell bewegen, ist die Fähigkeit, sie in Echtzeit zu sehen, ein bedeutender Durchbruch. Diese Technologie wird voraussichtlich viele Bereiche der Wissenschaft, wie Physik, Chemie und Materialwissenschaft, revolutionieren.

Hauptmerkmale dieses neuen Mikroskops sind:

• Erzeugung von einzelnen Elektronenpulsen im Attosekundenbereich
• Verbesserte zeitliche Auflösung
• Synchronisation von Pumppuls und optischen Gating-Pulsen

Traditionelle Elektronenmikroskope sind zwar leistungsfähig, konnten jedoch die schnelle Bewegung von Elektronen nicht erfassen. In den 2000er Jahren wurden Ultraschnelle Elektronenmikroskope eingeführt, die dieses Problem durch den Einsatz schneller Elektronenimpulse verbesserten. Diese Mikroskope konnten jedoch nur eine Reihe von Pulsen erzeugen und verpassten oft wichtige Veränderungen zwischen diesen Pulsen.

Ein neues Mikroskop, entwickelt von Forschern der U of A, erzeugt ultraschnelle Elektronenpulse, die nur eine Attosekunde dauern - das entspricht einem Quintillionstel einer Sekunde. Durch diese extrem kurzen Pulse können Elektronen eingefroren und klare Bilder erstellt werden.

Wissenschaftler teilen einen starken Laserstrahl in drei Teile auf: einen schnellen Elektronenimpuls und zwei sehr kurze Lichtimpulse. Der erste Lichtimpuls, der als Pumpimpuls bezeichnet wird, fügt der Probe Energie hinzu und verursacht Veränderungen in den Elektronen. Der zweite Lichtimpuls, bekannt als optisches Gate, erzeugt einen kurzen Moment, um einen einzelnen sehr schnellen Elektronenimpuls zu generieren. Durch die Koordination dieser Impulse stellen die Forscher sicher, dass der Elektronenimpuls die Probe zum exakt richtigen Zeitpunkt untersucht.

Gestützt auf die Pionierarbeit von Pierre Agostini, Ferenc Krausz und Anne L'Huillier, die den ersten extrem kurzen Ultraviolettstrahl im Attosekundenbereich messbar gemacht haben, hat das Team der Universität Arizona nun die zeitliche Präzision der Elektronenmikroskopie auf ein unerreichtes Niveau gehoben.

Dieser technologische Fortschritt hat weitreichende Auswirkungen. Physiker erhalten neue Möglichkeiten, um Quantenverhalten und die Bewegung von Elektronen in verschiedenen Materialien zu untersuchen. Chemiker können chemische Reaktionen nun auf ihrer grundlegendsten Ebene beobachten, was zu neuen Erkenntnissen darüber führen kann, wie Reaktionen ablaufen und wie effizientere Katalysatoren entwickelt werden können. Im Bereich der Bioingenieurwissenschaften könnte die Beobachtung von Elektronenbewegungen zu neuen Ansätzen in der Material- und Biomolekulartechnik führen. Materialwissenschaftler werden ein besseres Verständnis der Eigenschaften und Verhaltensweisen von hochentwickelten Materialien erlangen, was zur Entwicklung stärkerer und effizienterer Substanzen beitragen wird.

Diese Technologie ermöglicht es Wissenschaftlern, Details auf atomarer Ebene zu erkennen, die zuvor unsichtbar waren. Sie unterstützt die Grundlagenforschung und eröffnet zugleich neue praktische Anwendungen in verschiedenen wissenschaftlichen und industriellen Bereichen.