Ett team av fysiker från universitetet i Konstanz och Ludwig-Maximilians-Universität München i Tyskland har uppnått attosekundtidsupplösning i ett transmissionselektronmikroskop genom att kombinera det med en laser med kontinuerliga vågor – vilket ger nya insikter om interaktioner mellan ljus och materia.

Elektronmikroskop ger djup insikt i materiens minsta detaljer och kan avslöja, till exempel, den atomära konfigurationen av material, strukturen hos proteiner eller formen på viruspartiklar. Dock, de flesta material i naturen är inte statiska utan samverkar snarare, flytta och forma om hela tiden. Ett av de vanligaste fenomenen är samspelet mellan ljus och materia, som är allestädes närvarande i växter såväl som i optiska komponenter, solceller, displayer eller lasrar. Dessa interaktioner – som definieras av elektroner som flyttas runt av en ljusvågs fältcykler – sker på ultrasnabba tidsskalor av femtosekunder (10 ^-15 sekunder) eller till och med attosekunder (10 ^-18 sekunder, en miljarddels miljarddels sekund). Medan ultrasnabb elektronmikroskopi kan ge viss insikt i femtosekundsprocesser, det har inte varit möjligt, tills nu, att visualisera reaktionsdynamiken hos ljus och materia som sker med attosekunders hastigheter.

Nu, ett team av fysiker från universitetet i Konstanz och Ludwig-Maximilians-Universität München har lyckats kombinera ett transmissionselektronmikroskop med en kontinuerlig våglaser för att skapa ett prototypiskt attosekundelektronmikroskop (A-TEM). Resultaten redovisas i senaste numret av Vetenskapens framsteg.

Modulering av elektronstrålen

"Grundläggande fenomen inom optik, nanofotonik eller metamaterial inträffar vid attosekunder, kortare än en ljuscykel, " förklarar professor Peter Baum, huvudförfattare på studien och chef för forskningsgruppen Light and Matter vid University of Konstanz Institutionen för fysik. "För att kunna visualisera ultrasnabba interaktioner mellan ljus och materia krävs en tidsupplösning under ljusets oscillationsperiod." Konventionella transmissionselektronmikroskop använder en kontinuerlig elektronstråle för att belysa ett prov och skapa en bild. För att uppnå attosecond tidsupplösning, teamet som leds av Baum använder de snabba svängningarna av en kontinuerlig våglaser för att modulera elektronstrålen inuti mikroskopet i tid.

Ultrakorta elektronpulser

Nyckeln till deras experimentella tillvägagångssätt är ett tunt membran som forskarna använder för att bryta symmetrin i laservågens optiska cykler. Detta får elektronerna att accelerera och bromsa i snabb följd. "Som ett resultat, elektronstrålen inuti elektronmikroskopet omvandlas till en serie ultrakorta elektronpulser, kortare än en halv optisk cykel av laserljuset, " säger första författaren Andrey Ryabov, en postdoktor om studien. En annan laservåg, som är delad från den första, används för att excitera ett optiskt fenomen i ett prov av intresse. De ultrakorta elektronpulserna undersöker sedan provet och dess reaktion på laserljuset. Genom att skanna den optiska fördröjningen mellan de två laservågorna, forskarna kan sedan få bilder i attosecond resolution av den elektromagnetiska dynamiken inuti provet.

Enkla modifieringar, stor påverkan

"Den största fördelen med vår metod är att vi kan använda den tillgängliga kontinuerliga elektronstrålen inuti elektronmikroskopet snarare än att behöva modifiera elektronkällan. Det betyder att vi har en miljon gånger fler elektroner per sekund, i princip källans fulla ljusstyrka, som är nyckeln till alla praktiska tillämpningar, " fortsätter Ryabov. En annan fördel är att de nödvändiga tekniska modifieringarna är ganska enkla och inte kräver elektronkanonmodifikationer.

Som ett resultat, det är nu möjligt att uppnå attosekundsupplösning i en hel rad rum-tidsavbildningstekniker såsom tidsupplöst holografi, vågformselektronmikroskopi eller laserassisterad elektronspektroskopi, bland andra. I längden, attosekundelektronmikroskopi kan hjälpa till att avslöja det atomistiska ursprunget för interaktioner mellan ljus och materia i komplexa material och biologiska ämnen.

Studien publiceras i Vetenskapens framsteg .