Mikroskop av synligt ljus tillåter forskare att se små föremål som levande celler. Än, de kan inte urskilja hur elektroner fördelas mellan atomer i fasta ämnen. Nu, forskare med prof. Eleftherios Goulielmakis från Extreme Photonics Labs vid University of Rostock och Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching, Tyskland, tillsammans med arbetskamrater vid Institute of Physics of the Chinese Academy of Sciences i Peking, har utvecklat en ny typ av ett ljusmikroskop, kallas Picoscope, som övervinner denna begränsning.

Forskarna använde kraftfulla laserblixtar för att bestråla tunna filmer av kristallina material. Dessa laserpulser drev kristallelektroner in i en snabb viftande rörelse. När elektronerna studsade av de omgivande elektronerna, de avgav strålning i den extrema ultravioletta delen av spektrumet. Genom att analysera egenskaperna hos denna strålning, forskarna komponerade bilder som illustrerar hur elektronmolnet fördelas mellan atomer i kristallgitteret av fasta ämnen med en upplösning på några tiotals pikometrar, som är miljarddels millimeter. Experimenten banar väg för en ny klass laserbaserade mikroskop som kan tillåta fysiker, apotek, och materialforskare att titta in i mikrokosmos detaljer med en aldrig tidigare skådad upplösning och förstå och så småningom kontrollera materialens kemiska och elektroniska egenskaper.

I årtionden, forskare har använt laserljus för att förstå mikrokosmos inre funktion. Sådana laserblixtar kan nu spåra ultrasnabba mikroskopiska processer inuti fasta ämnen. Fortfarande, de kan inte rumsligt lösa elektroner, d.v.s. se hur elektroner upptar det lilla utrymmet bland atomer i kristaller, eller hur de bildar de kemiska bindningarna som håller ihop atomer. Ernst Abbe upptäckte orsaken för mer än ett sekel sedan. Synligt ljus kan bara urskilja föremål som kan jämföras i storlek med dess våglängd, vilket är ungefär några hundratals nanometer. Men för att se elektroner, mikroskopen måste öka sin förstoringseffekt med några tusen gånger.

För att övervinna denna begränsning, Goulielmakis och medarbetare tog en annan väg. De utvecklade ett mikroskop som fungerar med kraftfulla laserpulser. De kallade sin enhet för ett Light Picoscope. "En kraftfull laserpuls kan tvinga elektroner inuti kristallina material att bli fotografer i rymden runt dem, "sa Harshit Lakhotia, en forskare i gruppen.

När laserpulsen tränger in i kristallen, den kan ta en elektron och driva den till en snabb viftande rörelse. "När elektronen rör sig, det känner utrymmet runt det, precis som din bil känner den ojämna ytan på en ojämn väg, "sa Lakhotia. När de laserdrivna elektronerna korsar en bula som gjorts av andra elektroner eller atomer, den retarderar och avger strålning med en frekvens som är mycket högre än laserns. "Genom att registrera och analysera egenskaperna hos denna strålning, vi kan härleda formen av dessa små stötar, och vi kan rita bilder som visar var elektrontätheten i kristallen är hög eller låg, "sa Hee-Yong Kim, doktorand i Extreme Photonics Labs. "Laserpikoskopi kombinerar förmågan att kika in i huvuddelen av material, som röntgen, och det att sondera valenselektroner. Det senare är möjligt genom att skanna tunnelmikroskop men bara på ytor. "

Sheng Meng, från Institutet för fysik, Peking, och en teoretisk solid-state fysiker i forskargruppen, sa, "Med ett mikroskop som kan sondera, valenselektrondensiteten kan vi snart kunna jämföra prestanda för beräknade fysikaliska verktyg i fast tillstånd. Vi kan optimera moderna, toppmoderna modeller för att förutsäga materialegenskaper med allt finare detaljer. Detta är en spännande aspekt som laserpikoskopi tar med. "

Nu, forskarna arbetar med att utveckla tekniken ytterligare. De planerar att sondera elektroner i tre dimensioner och ytterligare benchmarka metoden med ett brett spektrum av material, inklusive 2-D och topologiska material. "Eftersom laserpikoskopi lätt kan kombineras med tidsupplösta lasertekniker, det kan snart bli möjligt att spela in riktiga filmer av elektroner i material. Detta är ett efterlängtat mål inom ultrasnabb vetenskap och mikroskopier av materia, "Sa Goulielmakis.