Bevroren elektronen: de revolutionaire microscoop die elektronen in beweging vastlegt

AmsterdamWetenschappers aan de Universiteit van Arizona hebben 's werelds snelste elektronenmicroscoop ontwikkeld. Deze innovatieve microscoop kan foto's maken van elektronen terwijl ze in beweging zijn. Omdat elektronen zeer snel bewegen, is het in staat zijn om ze in real-time te zien een enorme doorbraak. Deze technologie zal naar verwachting grote invloed hebben op diverse vakgebieden zoals natuurkunde, scheikunde en materiaalwetenschap.

Belangrijke kenmerken van deze nieuwe microscoop omvatten:

• Generatie van enkele attoseconde-elektronenpulsen
• Verbeterde temporele resolutie
• Synchronisatie van pomp- en optische gatingpulsen

Traditionele elektronenmicroscopen zijn krachtig, maar konden de snelle beweging van elektronen niet vastleggen. In de jaren 2000 werden ultrasnelle elektronenmicroscopen geïntroduceerd om dit te verbeteren door gebruik te maken van snelle elektronenpulsen. Echter, deze microscopen konden slechts een reeks pulsen creëren en misten vaak belangrijke veranderingen die tussen deze pulsen plaatsvonden.

Een team onderzoekers van de Universiteit van Alberta heeft een nieuwe microscoop ontwikkeld die een extreem snelle elektronenpuls produceert, met een duur van slechts een attoseconde, oftewel een triljardste van een seconde. Deze korte puls kan een elektron stilzetten om zo een scherp beeld te krijgen.

Wetenschappers verdelen een krachtige laser in drie delen: een snelle elektronenpuls en twee zeer korte lichtpulsen. De eerste lichtpuls, de zogenaamde pomp-puls, geeft energie aan het monster, waardoor veranderingen in de elektronen optreden. De tweede lichtpuls, de optische gating-puls genoemd, helpt een korte periode te creëren om een enkele zeer snelle elektronenpuls te genereren. Door deze pulsen te coördineren, zorgen onderzoekers ervoor dat de elektronenpuls het monster exact op het juiste moment onderzoekt.

Gebaseerd op het baanbrekende werk van Pierre Agostini, Ferenc Krausz en Anne L'Huillier, die de eerste extreem korte ultravioletstralen in attoseconden introduceerden, heeft het team van de Universiteit van Arizona nu de tijdprecisie van elektronenmicroscopie naar een ongeëvenaard niveau gebracht.

Deze technologische vooruitgang heeft verstrekkende effecten. Voor natuurkundigen biedt het nieuwe manieren om kwantumgedrag en de beweging van elektronen in verschillende materialen te bestuderen. Chemici kunnen nu chemische reacties op het meest fundamentele niveau waarnemen, wat kan leiden tot nieuwe inzichten in werkwijzen van reacties en de ontwikkeling van betere katalysatoren. In de bio-engineering kan het volgen van elektronbewegingen nieuwe ideeën opleveren voor materiaal- en biomoleculaire techniek. Materiaalwetenschappers zullen een beter begrip krijgen van de eigenschappen en het gedrag van geavanceerde materialen, wat helpt bij het creëren van sterkere en efficiëntere substanties.

Deze technologie stelt wetenschappers in staat om details op atomisch niveau te zien die ze eerder nooit konden waarnemen. Het ondersteunt fundamenteel onderzoek en biedt tevens nieuwe praktische toepassingen in diverse wetenschappelijke en industriële sectoren.