Elektroner i atomer är ganska begåvade. De kan bilda kemiska bindningar, bli utsparkad från atomen och till och med "hoppa" till olika platser baserat på deras energitillstånd.

1961, Atomfysikern Ugo Fano teoretiserade att elektroner hyser en annan och oväntad talang:De kan störa sig själva när de samtidigt tar två olika kvantmekaniska vägar. På en väg, de hoppar inom atomen mellan diskreta energitillstånd. På den andra vägen, de hoppar av atomen in i kontinuumet av fritt utrymme. Fano utvecklade sin teori efter att ha studerat det elektroniska spektrumet av heliumgas som exciteras av en elektronstråle. Enligt Fanos teori, elektronerna i heliumatomerna rörde sig genom två typer av energiövergångar, den ena diskret och den andra kontinuerlig, vilket resulterade i destruktiv interferens genom deras synkroniserade blandning.

Även om det har gått nästan 60 år sedan Fano publicerade sin teoretiska förklaring – nu känd som Fano-interferens – har forskare kämpat för att observera denna effekt i nanoskala med hjälp av ett elektronmikroskop. Ett team ledd av forskare från University of Washington och University of Notre Dame använde de senaste framstegen inom elektronmikroskopi för att observera Fano-interferenser direkt i ett par metalliska nanopartiklar, enligt en tidning publicerad 21 oktober in Fysiska granskningsbrev och lyfts fram av tidskriftens redaktörer.

"Fano beskrev en komplicerad – och till och med kontraintuitiv – typ av energiöverföring som kan ske i dessa system, " sa medkorrespondentförfattaren David Masiello, en UW professor i kemi. "Det är som att ha två barn på närliggande gungor som är svagt kopplade till varandra:du knuffar ett barn, men den gungan är inte den som rör sig. Istället, det andra barnets gunga rör sig på grund av denna störning. Det är en enkelriktad energiöverföring."

Masiello, en teoretiker, samarbetade med den medkorresponerande författaren och experimentalisten Jon Camden, professor i kemi och biokemi vid University of Notre Dame, att arbeta med Fano-interferenser i elektronmikroskopi. I en publikation från 2013 i ACS Nano , båda två, tillsammans med medlemmar av Masiellos grupp vid UW, teoretiserade att de kunde utlösa Fano-interferenser i vissa typer av plasmoniska nanostrukturer. Dessa är experimentellt testbara system - vanligtvis bestående av silver eller guld eller liknande myntmetaller - där elektroner lätt kan mobiliseras och "exciteras" som svar på ljus eller en elektronstråle.

Masiello och Camden trodde att det skulle vara möjligt att designa och konstruera ett system som skulle uppvisa Fano-störningar med hjälp av plasmoniska komponenter i nanoskala. Men, att skapa denna effekt skulle kräva en extremt exakt elektronstråle, där alla elektronerna har ungefär samma kinetiska energi. Forskarna slog sig ihop med Juan Carlos Idrobo, en vetenskapsman vid Oak Ridge National Laboratory. Oak Ridge är värd för en avancerad elektronmikroskopianläggning, inklusive det monokromaterade aberrationskorrigerade scanningstransmissionselektronmikroskopet som teamet skulle behöva.

"Detta är Lamborghini av elektronmikroskop, och det representerar ett mycket nytt och sofistikerat framsteg inom elektronmikroskopi, ", sa Masiello. "Detta experiment skulle inte ha varit möjligt ens för flera år sedan."

Men att designa och tillverka rätt plasmonsystem var också en utmaning för teamet.

"Frågan om, "Kan vi se denna Fano-interferens i elektronmikroskopi?" var mycket mer komplicerat än vi förväntade oss, ", sa Camden. "Tidigt insåg vi att idéerna som vårt team kom med inte fungerade. Men till sist, genom försök och misstag, vi fick rätt."

Masiellos team arbetar med både teorin om plasmoner och teorin om elektronmikroskopi. De använde analytiska modeller av beteendet hos plasmoniska system för att designa den fysiska layouten, samt tolka spektrumet, av ett helt plasmoniskt system. Detta system skulle koda interferenseffekten som laget sökte på mikroskopets spridda elektroner. Förste författare och UW fysik doktorand Kevin Smith fastställde att en "guldklubba" var optimal. Systemet han designade består av en tunn, guldskiva - bara 650 nanometer i diameter - som sitter bredvid, men inte röra, en guld nanorod bara 5, 000 nanometer lång. Som referens, ungefär 20 av dessa nanorods – uppradade från ände till ände – skulle vara lika med tjockleken på ett papper.

Enligt Smiths teoretiska design och matematiska analys, en elektronstråle riktad precis utanför den gyllene skivan på klubban skulle utlösa de kontrollanta tecknen på en Fano-interferens:Elektroner i den avlägsna staven skulle börja svänga, körs endast genom skivan.

"Det är precis vad vi observerade när våra medarbetare på Oak Ridge testade systemet, sa Smith.

Teamets framgång visar inte bara att det är möjligt att excitera Fano-interferenser direkt i ett plasmoniskt system med hjälp av en elektronstråle. Det ger också nya teoretiska ramverk och modeller för att arbeta med sofistikerade elektronmikroskop, som anläggningarna som finns på Oak Ridge National Laboratory.

"Det finns en spännande nivå av precision som är möjlig med dessa typer av elektronmikroskop, ", sa Masiello. "Det öppnar dörren till fler experiment som detta - att kombinera rumslig upplösning i atomskala med hög spektral upplösning från det synliga spektrumet ut till det avlägsna infraröda området."