Ett elektronmikroskop kan inte bara ta ett foto som en mobiltelefonkamera kan. Ett elektronmikroskops förmåga att avbilda en struktur – och hur framgångsrik denna avbildning kommer att bli – beror på hur väl du förstår strukturen. Komplexa fysikberäkningar behövs ofta för att fullt ut utnyttja potentialen i elektronmikroskopi. Ett internationellt forskarlag under ledning av TU Wiens professor Peter Schattschneider satte sig för att analysera de möjligheter som EFTEM erbjuder, det är energifiltrerad transmissionselektronmikroskopi. Teamet visade numeriskt att under vissa förhållanden, det är möjligt att få tydliga bilder av omloppsbanan för varje enskild elektron i en atom. Elektronmikroskopi kan därför användas för att penetrera ner till subatomär nivå – experiment inom detta område är redan planerade. Studien har nu publicerats i fysiktidskriften Fysiska granskningsbrev .

På jakt efter elektronomloppet

Vi tänker ofta på atomelektroner som små sfärer som cirklar runt atomkärnan som små planeter runt en sol. Den här bilden återspeglas knappt i verkligheten, dock. Kvantfysikens lagar säger att en elektrons position inte kan definieras tydligt vid en given tidpunkt. Elektronen är effektivt utsmetad över ett område nära kärnan. Området som kan innehålla elektronen kallas orbitalen. Även om det har varit möjligt att beräkna formen på dessa orbitaler under lång tid, försök att avbilda dem med elektronmikroskop har hittills varit misslyckade.

"Vi har beräknat hur vi kan ha en chans att visualisera orbitaler med ett elektronmikroskop", säger Stefan Löffler från University Service Center for Transmission Electron Microscopy (USTEM) vid TU Wien. "Grafen, som är gjord av bara ett enda lager av kolatomer, är en utmärkt kandidat för denna uppgift. Elektronstrålen kan lätt passera genom grafenet med knappt någon elastisk spridning. En bild av grafenstrukturen kan skapas med dessa elektroner."

Forskare har varit medvetna om principen om "energifiltrerad transmissionselektronmikroskopi" (EFTEM) under en tid. EFTEM kan användas för att skapa ganska specifika visualiseringar av vissa typer av atomer samtidigt som de blockeras ute. Av denna anledning, det används ofta idag för att analysera den kemiska sammansättningen av mikroskopiska prover. "Elektronerna som skjuts genom provet kan excitera provets atomer", förklarar Stefan Löffler. "Det här kostar energi, så när elektronerna som kommer fram från provet, de är långsammare än när de gick in i den. Denna hastighet och energiförändring är karakteristisk för vissa excitationer av elektronorbitaler i provet."

Efter att elektronerna har passerat genom provet, ett magnetfält sorterar elektronerna efter energi. "Ett filter används för att blockera elektroner som inte är av intresse:den inspelade bilden innehåller bara de elektroner som bär den önskade informationen."

Defekter kan vara till hjälp

Teamet använde simuleringar för att undersöka hur denna teknik kan hjälpa till att nå en vändpunkt i studiet av elektronorbitaler. Medan du gör det, de upptäckte något som faktiskt underlättade avbildningen av individuella orbitaler:"Grafenens symmetri måste brytas", säger Stefan. "Om, till exempel, det finns ett hål i grafenstrukturen, atomerna precis bredvid detta hål har en något annorlunda elektronisk struktur, vilket gör det möjligt att avbilda dessa atomers orbitaler. Samma sak kan hända om en kväveatom snarare än en kolatom finns någonstans i grafenet. När du gör detta, det är viktigt att fokusera på elektronerna som finns inom ett smalt och exakt energifönster, minimera vissa aberrationer hos den elektromagnetiska linsen och, sist men inte minst, använd ett förstklassigt elektronmikroskop." Alla dessa problem kan övervinnas, dock, som forskargruppens beräkningar visar.

Humboldt-Universität zu Berlin, universitetet Ulm, och McMaster University i Kanada arbetade också tillsammans med TU Wien på studien i ett gemensamt FWF-DFG-projekt ("Towards orbital mapping", I543-N20) och ett FWF Erwin-Schrödinger-projekt ("EELS at interfaces", J3732-N27). Ulm håller på att utveckla en ny, högpresterande transmissionselektronmikroskop som kommer att användas för att omsätta dessa idéer i praktiken inom en snar framtid. De första resultaten har redan överträffat förväntningarna.