Un team di fisici dell'Università di Costanza e della Ludwig-Maximilians-Universität München in Germania ha ottenuto una risoluzione temporale ad attosecondi in un microscopio elettronico a trasmissione combinandolo con un laser a onda continua, offrendo nuove informazioni sulle interazioni luce-materia.

I microscopi elettronici forniscono una visione profonda dei più piccoli dettagli della materia e possono rivelare, Per esempio, la configurazione atomica dei materiali, la struttura delle proteine ​​o la forma delle particelle virali. Però, la maggior parte dei materiali in natura non sono statici e piuttosto interagiscono, muoversi e rimodellare tutto il tempo. Uno dei fenomeni più comuni è l'interazione tra luce e materia, che è onnipresente nelle piante così come nei componenti ottici, celle solari, display o laser. Queste interazioni, che sono definite dagli elettroni che vengono spostati dai cicli di campo di un'onda luminosa, avvengono su scale temporali ultraveloci di femtosecondi (10 ^-15 secondi) o addirittura attosecondi (10 ^-18 secondi, un miliardesimo di miliardesimo di secondo). Mentre la microscopia elettronica ultraveloce può fornire alcune informazioni sui processi a femtosecondi, non è stato possibile, fino ad ora, per visualizzare le dinamiche di reazione della luce e della materia che si verificano a velocità di attosecondi.

Ora, un team di fisici dell'Università di Costanza e della Ludwig-Maximilians-Universität München è riuscito a combinare un microscopio elettronico a trasmissione con un laser a onda continua per creare un prototipo di microscopio elettronico ad attosecondi (A-TEM). I risultati sono riportati nell'ultimo numero di Progressi scientifici.

Modulare il fascio di elettroni

"Fenomeni di base in ottica, la nanofotonica o i metamateriali avvengono ad attosecondi, più breve di un ciclo di luce, " spiega il professor Peter Baum, autore principale dello studio e capo del gruppo di ricerca Light and Matter presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Costanza. "Per essere in grado di visualizzare le interazioni ultraveloci tra luce e materia è necessaria una risoluzione temporale inferiore al periodo di oscillazione della luce". I microscopi elettronici a trasmissione convenzionali utilizzano un fascio di elettroni continuo per illuminare un campione e creare un'immagine. Per ottenere una risoluzione temporale ad attosecondi, il team guidato da Baum utilizza le rapide oscillazioni di un laser a onda continua per modulare nel tempo il fascio di elettroni all'interno del microscopio.

Impulsi elettronici ultracorti

La chiave del loro approccio sperimentale è una membrana sottile che i ricercatori usano per rompere la simmetria dei cicli ottici dell'onda laser. Ciò fa sì che gli elettroni accelerino e decelerino in rapida successione. "Di conseguenza, il fascio di elettroni all'interno del microscopio elettronico si trasforma in una serie di impulsi elettronici ultracorti, meno di mezzo ciclo ottico della luce laser, " dice il primo autore Andrey Ryabov, un ricercatore post-dottorato sullo studio. Un'altra onda laser, che è separato dal primo, viene utilizzato per eccitare un fenomeno ottico in un esemplare di interesse. Gli impulsi elettronici ultracorti quindi sondano il campione e la sua reazione alla luce laser. Scansionando il ritardo ottico tra le due onde laser, i ricercatori sono quindi in grado di ottenere filmati con risoluzione ad attosecondi della dinamica elettromagnetica all'interno del campione.

Modifiche semplici, grande impatto

"Il vantaggio principale del nostro metodo è che siamo in grado di utilizzare il fascio di elettroni continuo disponibile all'interno del microscopio elettronico piuttosto che dover modificare la sorgente di elettroni. Ciò significa che abbiamo un milione di volte più elettroni al secondo, sostanzialmente la piena luminosità della sorgente, che è fondamentale per qualsiasi applicazione pratica, " continua Ryabov. Un altro vantaggio è che le modifiche tecniche necessarie sono piuttosto semplici e non richiedono modifiche al cannone elettronico.

Di conseguenza, è ora possibile ottenere la risoluzione ad attosecondi in un'intera gamma di tecniche di imaging spazio-temporale come l'olografia risolta nel tempo, microscopia elettronica a forma d'onda o spettroscopia elettronica assistita da laser, fra gli altri. A lungo termine, La microscopia elettronica ad attosecondi può aiutare a scoprire le origini atomistiche delle interazioni luce-materia in materiali complessi e sostanze biologiche.

Lo studio è pubblicato su Progressi scientifici .