Quantum weirdness öppnar nya dörrar för elektronmikroskop, kraftfulla verktyg som används för högupplöst bildbehandling.

Två nya framsteg från UO-fysikern Ben McMorrans labb förfinar mikroskopen. Båda kommer från att dra fördel av en grundläggande princip inom kvantmekaniken:att en elektron kan bete sig samtidigt som en våg och en partikel. Det är ett av många exempel på konstiga egenheter på kvantnivå där subatomära partiklar ofta beter sig på sätt som verkar bryta mot den klassiska fysikens lagar.

En av studierna hittar ett sätt att studera ett föremål under mikroskopet utan att komma i kontakt med det, vilket förhindrar att kikaren skadar ömtåliga prover. Och den andra utarbetar ett sätt att göra två mätningar på ett prov samtidigt, vilket ger ett sätt att studera hur partiklar i det objektet potentiellt interagerar över avstånd.

McMorran och hans kollegor rapporterar sina resultat i två artiklar, båda publicerade i tidskriften Physical Review Letters .

"Det är ofta svårt att observera något utan att påverka det, speciellt när du tittar på detaljer," sa McMorran. "Kvantfysiken verkar ge ett sätt för oss att titta på saker mer utan att störa dem."

Elektronmikroskop används för att få närbilder av proteiner och celler såväl som icke-biologiska prover, som nya typer av material. Istället för ljus som används i mer traditionella mikroskop fokuserar elektronmikroskop en elektronstråle på ett prov. När strålen interagerar med provet ändras vissa av dess egenskaper. En detektor mäter förändringarna i strålen, som sedan översätts till en högupplöst bild.

Men den kraftfulla elektronstrålen kan orsaka skada på ömtåliga strukturer i provet. Med tiden kan det försämra just de detaljer som forskare försöker studera.

Som en lösning använde McMorrans team ett tankeexperiment som publicerades i början av 1990-talet, som föreslog ett sätt att upptäcka en känslig bomb utan att röra den och riskera att sätta igång den.

Tricket bygger på ett verktyg som kallas diffraktionsgitter, ett tunt membran med mikroskopiska slitsar i det. När elektronstrålen träffar diffraktionsgittret delas den i två delar.

Med rätt inriktning av dessa stråldelande diffraktionsgitter "kommer elektronen in och delas upp i två banor, men rekombinerar sedan så att den bara går till en av de två möjliga utgångarna", säger Amy Turner, doktorand vid McMorran's lab som ledde den första studien. "Tanken är att när du lägger i ett prov avbryts elektronens interaktion med sig själv."

I den här uppställningen träffar elektronerna inte provet som de gör i traditionell elektronmikroskopi. Istället avslöjar hur elektronstrålen rekombinerar information om provet under skopet.

I en annan studie använde McMorrans team en liknande diffraktionsgitteruppsättning för att mäta ett prov på två ställen samtidigt. De delade en elektronstråle så att den passerade på vardera sidan av en liten guldpartikel, och mätte de små energibitarna som elektronerna överförde till partikeln på varje sida.

Det tillvägagångssättet skulle kunna avslöja känsliga nyanser på atomnivå om ett prov, att förstå hur partiklar interagerar i ett prov.

"Det som är speciellt med det här är att du kan titta på två separata delar av det och sedan kombinera dem för att se om det är en kollektiv svängning eller om de är okorrelerade", säger Cameron Johnson, en postdoktor vid Lawrence Berkeley National Lab som gjorde sitt doktorandarbete i McMorrans labb och ledde studien. "Vi kan gå utöver gränserna för mikroskopets energiupplösningar och sondinteraktioner som normalt inte går att nå."

Medan de två studierna gör olika typer av mätningar, använder de samma grundläggande inställning, som är känd som interferometri. Medlemmar i McMorrans team tror att deras verktyg kan vara användbart utanför deras eget labb, för en mängd olika typer av experiment.

"Detta är den första elektroninterferometern i sitt slag," sa Turner. "Människor har använt diffraktionsgitter tidigare, men det här är en funktionell, flexibel version som kan ställas in för olika experiment."

Med rätt material och instruktioner kan installationen läggas till många befintliga elektronmikroskop, sa McMorran. Hans team har redan visat intresse från forskare vid andra labb som vill använda interferometern i sina egna mikroskop.

"Ett elektronmikroskop låter oss titta på saker på atomär skala, men många saker är svåra att se, som biologiska material som både är ganska osynliga för elektroner och lätt skadas," tillade McMorran. "Men här visade vi att vi kan använda elektronernas kvantvågsegenskaper för att komma runt dessa problem, såväl som för att få insikt i den grundläggande naturen av hur dessa elektronvågor interagerar med elektromagnetiska fält som ljus." + Utforska vidare

En ny metod för att bilda en lins för elektronmikroskop med atomupplösning