Négydimenziós képek készültek az atomok világáról

A Caltech kutatói által kifejlesztett új megfigyelési technológia lehetővé teszi, hogy a nanoméretű rendszerekről gyors egymásutánban olyan képek készüljenek, melyek filmmé állíthatók össze. A módszer neve négydimenziós (4D)-mikroszkópia.

A tudósok egyre gyorsabb jelenségek rögzítésére törekednek. Még nagyobb a kihívás, ha az időbeli és a térbeli nagyítást egyszerre kell elérni. Az ultragyors jelenségek kémiájának kutatói az 1980-as évek végén érték el a femotszekundumos időfelbontást. A femtoszekundum a másodperc ezerbilliomod (10^-15) része, ennyi idő alatt a fény mindössze 100 nanométert tesz meg, ami egy nanoszerkezet vagy egy vírus mérete. Innen származik az ultragyors kémia neve is: femtokémia.

A femtokémia kifejlesztését az ultragyors lézerek megjelenése tette lehetővé. A kinetikai mérésekhez két lézerimpulzus kell. Az első a gerjesztőimpulzus, ennek hatására zajlik le a kívánt kémiai reakció. Ez monokromatikus impulzus. A második impulzussal az abszorpciót mérik, ezért ez széles és folytonos spektrumú impulzus. A femtokémia létrehozója, Ahmed Zewail kísérleteivel bebizonyította, hogy ezeknek a gyors lézerek alkalmazásával megfigyelhető az atomok molekulán belüli átrendeződése - ezért 1999-ben elnyerte a kémiai Nobel-díjat.

Zewail és munkatársai tehát a spektrum nagyon gyors felvételével érték el sikereiket femtoszekundumos kémiai reakciók megfigyelésében, az atomok és molekulák "röptében való elkapásában", a módszer azonban nem adott információt a molekuláris átrendeződések térbeliségéről, a folyamat tér-dimenziójáról. Egy most kidolgozott módszerrel, a 4D mikroszkópiával azonban már 3D képeket kaphatnak az ultragyors fizikai és kémiai folyamatokról - a negyedik dimenzió alatt itt az időt kell érteni. A módszer alapja az elektron-diffrakció, amikor egy elektronnyalábbal világítják meg a tárgyat. A tárgy atomjairól visszaverődő elektronok egy szóródási képet hoznak létre a detektorban, az így létrejövő minták pedig az atomok pillanatnyi elrendezéséről árulkodnak. Az atomok mozgása miatt azonban a szóródási kép elmosódott lesz, emiatt a mintában lejátszódó kisméretű változások részletei nem figyelhetők meg.

Zewail és a posztdoktori ösztöndíjas Aycan Yurtsever úgy oldották meg az életlenség problémáját, hogy állandósult elektronsugarak helyett elektronimpulzusokat használtak. Kísérletükben egy kristályos szilíciumszeletet használtak mintaként, melyet először egy rövid lézerimpulzussal felmelegítettek, majd egy femtoszekundumos elektronimpulzust bocsátottak rá.

Forrás: Caltech

4D elektronmikroszkópiával kapott diffrakció szilícium mintáról. A szerkezet nanoméretű struktúrája a diffrakcióból meghatározható

A mintáról visszaverődő elektronok diffrakciós képet hoztak létre a detektorban. Az elektronimpulzusok olyan rövidek, hogy visszaverődésük alatt a minta atomjainak nincs idejük nagy elmozdulásra, így ez a rövidebb "expozíciós idő" éles diffrakciós képet eredményez. A minta melegítése és a kép felvétele közötti idő változtatásával más és más fázisban levő képek kaphatók. Ezeket összegyűjtve egy femtoszekundumos időbeli felbontású film hozható létre.

Mi is történt itt? Amikor a lézerimpulzus fotonjai gerjesztették a minta szilíciumatomjait, azok kis időkéséssel sugározták ki az energiát. Ez az úgynevezett foton-indukált közel-téri elektronmikroszkópos (PINEM) hatás: bizonyos anyagokra rövid lézerimpulzust bocsátva azok egy rövid, de mérhető ideig, egytized-egyszázad femtoszekundumig "fénylenek". Ha ekkor elektron van a közelben , az elnyelheti az atomok által kibocsátott fotont. Az elektronok többsége nem nyel el semmit, de az energiaváltozást elszenvedő elektronok száma akkor a leginkább szembeszökő, ha az időzítés éppen jó, vagyis, ha az elektronok akkor haladnak át az anyagon, amikor ott a sugárzás a legerősebb.

Forrás: Caltech

Szén nanocsövekben kisugárzott fotonok képződtek le nagy sebességű elektronokkal. A nanoszerkezet átmeneti elektromos mezői két időbeállítás és két polarizációs állapot esetén

Ez a vizualizációs technika új távlatokat nyit a plazmonikában, a fotonikában, valamint a kapcsolódó tudományágakban. Az új módszer fizikai érdekessége az, hogy lehetséges fotonokat leképezni elektronok segítségével.

Posztobányi Kálmán