Forskare visar ett jonoptikbaserat mikroskop som kan lösa individuella laddade atomer. Atomerna är instängda i ett endimensionellt optiskt gitter (botten av bilden) och belyses sedan med en ljuspuls, som joniserar atomerna (gröna bollar). Efter en kort fördröjning, de joniserade atomerna överförs till det jonoptiska systemet, där de manipuleras med elektrostatiska linser (röda rektanglar) och avbildas med en jondetektor (överst på bilden). Pilen indikerar jonernas färdriktning genom mikroskopet. Kredit:APS/Alan Stonebraker
Ett team av forskare vid Universität Stuttgart har utvecklat ett jonoptikbaserat kvantmikroskop som kan skapa bilder av enskilda atomer. I deras tidning publicerad i tidningen Fysiska granskningsbrev , gruppen förklarar hur de byggde sitt mikroskop och hur bra det fungerade när det testades.
Forskare har tänjt på gränserna för mikroskopi i många år - så mycket att nuvarande kvantgasmikroskop nu kan se objekt så små som 0,5 μm i storlek. Det är tillräckligt litet för att titta på grupper av atomer. I denna nya insats, forskarna har flyttat gränsen ytterligare genom att skapa ett mikroskop som avbildar enskilda atomer.
Mikroskopet som byggdes av teamet började med användningen av en elektrostatisk lins, en anordning som kan användas för att transportera laddade partiklar som elektroner. Forskarna satte ihop tre av dem och lade till en jondetektor som kunde peka ut enstaka joner. Elektrostatiska linser fungerar på ett sätt som mycket liknar linser som används i vanliga handhållna kameror eller smartphones. Men istället för att fokusera ljus med en krökt yta, en elektrostatisk lins styr jonernas vägar i ett elektriskt fält. Elektrostatiska linser skiljer sig också från traditionella linser genom att de är justerbara – forskare behöver bara ändra spänningen som appliceras på det elektriska fältet.
Forskarna lade också till ett sätt att begränsa material som ska avbildas - för testning, de tillsatte ultrakalla rubidiumatomer och höll dem i ett galler på sätt som påminner om ett kvantgasmikroskop. För att skapa en bild, forskarna avfyrade laserpulser mot atomerna, resulterar i fotojonisering. Detta tvingade jonerna att förbli på plats i cirka 30 nanosekunder. Under sin tid i gallret, atomerna samverkade med varandra, vilket resulterar i uppbyggnad av många kroppskorrelationer. Jonerna släpptes sedan in i mikroskopet, där bilder gjordes.
Testning av mikroskopet visade att det kunde fånga funktioner från 6,79 μm till 0,52 μm med 532 nm avstånd mellan dem - tillräckligt för att tillåta att skapa bilder av enskilda individuella atomer. Det visade sig också ha ett djupfält på 70 μm - tillräckligt stort för att skapa 3D-bilder.
© 2021 Science X Network
