Un microscopio elettronico a scansione presso la struttura CAMCOR dell'UO. Il fisico Ben McMorran e il suo team hanno escogitato un modo per migliorare le prestazioni dello strumento di ricerca. Credito:Università dell'Oregon
La stranezza quantistica sta aprendo nuove porte ai microscopi elettronici, potenti strumenti utilizzati per l'imaging ad alta risoluzione.
Due nuovi progressi del laboratorio del fisico dell'UO Ben McMorran stanno perfezionando i microscopi. Entrambi derivano dall'avvantaggiarsi di un principio fondamentale della meccanica quantistica:che un elettrone può comportarsi contemporaneamente come un'onda e una particella. È uno dei tanti esempi di stranezze a livello quantistico in cui le particelle subatomiche spesso si comportano in modi che sembrano violare le leggi della fisica classica.
Uno degli studi trova il modo di studiare un oggetto al microscopio senza entrare in contatto con esso, impedendo che l'oscilloscopio danneggi campioni fragili. E il secondo escogita un modo per effettuare due misurazioni su un campione contemporaneamente, dando un modo per studiare come le particelle in quell'oggetto interagiscono potenzialmente a distanza.
McMorran e i suoi colleghi riportano le loro scoperte in due articoli, entrambi pubblicati sulla rivista Physical Review Letters .
"Spesso è difficile osservare qualcosa senza influenzarlo, specialmente quando guardi i dettagli", ha detto McMorran. "Sembra che la fisica quantistica ci fornisca un modo per guardare meglio le cose senza interromperle."
I microscopi elettronici vengono utilizzati per ottenere viste ravvicinate di proteine e cellule, nonché campioni non biologici, come nuovi tipi di materiali. Invece della luce utilizzata nei microscopi più tradizionali, i microscopi elettronici focalizzano un raggio di elettroni su un campione. Quando il raggio interagisce con il campione, alcune delle sue caratteristiche cambiano. Un rilevatore misura le modifiche al raggio, che poi vengono tradotte in un'immagine ad alta risoluzione.
Ma quel potente fascio di elettroni può causare danni alle strutture fragili nel campione. Nel tempo, può degradare i dettagli stessi che gli scienziati stanno cercando di studiare.
Come soluzione alternativa, il team di McMorran ha utilizzato un esperimento mentale pubblicato all'inizio degli anni '90, che proponeva un modo per rilevare una bomba sensibile senza toccarla e rischiare di farla esplodere.
Il trucco si basa su uno strumento chiamato reticolo di diffrazione, una membrana sottile con fessure microscopiche al suo interno. Quando il fascio di elettroni colpisce il reticolo di diffrazione, viene diviso in due.
Con il giusto allineamento di questi reticoli di diffrazione a divisione del fascio, "l'elettrone entra e viene diviso in due percorsi, ma poi si ricombina in modo tale che vada solo a una delle due possibili uscite", ha affermato Amy Turner, una studentessa laureata al McMorran's laboratorio che ha condotto il primo studio. "L'idea è che quando si inserisce un campione, l'interazione dell'elettrone con se stesso viene interrotta."
In questa configurazione, gli elettroni non colpiscono il campione come nella microscopia elettronica tradizionale. Invece, il modo in cui il fascio di elettroni si ricombina rivela informazioni sul campione nell'ambito dell'oscilloscopio.
In un altro studio, il team di McMorran ha utilizzato un reticolo di diffrazione simile per misurare un campione in due punti contemporaneamente. Hanno diviso un raggio di elettroni in modo che passasse su entrambi i lati di una piccola particella d'oro, misurando i minuscoli frammenti di energia che gli elettroni trasferivano alla particella su ciascun lato.
Questo approccio potrebbe rivelare sensibili sfumature a livello atomico su un campione, comprendendo il modo in cui le particelle interagiscono in un campione.
"La particolarità di questo è che puoi guardare due parti separate di esso e poi combinarle insieme per vedere se si tratta di un'oscillazione collettiva o se non sono correlate", ha detto Cameron Johnson, ricercatore post-dottorato al Lawrence Berkeley National Lab che ha fatto il suo lavoro di dottorato nel laboratorio di McMorran e ha guidato lo studio. "Possiamo andare oltre i limiti delle risoluzioni energetiche del microscopio e delle interazioni delle sonde che sono normalmente irraggiungibili."
Sebbene i due studi stiano effettuando diversi tipi di misurazioni, utilizzano la stessa configurazione di base, nota come interferometria. I membri del team di McMorran pensano che il loro strumento potrebbe essere utile al di fuori del proprio laboratorio, per una varietà di diversi tipi di esperimenti.
"Questo è il primo interferometro elettronico del suo genere", ha detto Turner. "Le persone hanno già utilizzato i reticoli di diffrazione, ma questa è una versione funzionale e flessibile che può essere ottimizzata per diversi esperimenti."
Con i materiali e le istruzioni giusti, la configurazione potrebbe essere aggiunta a molti microscopi elettronici esistenti, ha affermato McMorran. Il suo team ha già suscitato l'interesse di ricercatori di altri laboratori che desiderano utilizzare l'interferometro nei propri microscopi.
"Un microscopio elettronico ci consente di guardare cose su scala atomica, ma molte cose sono difficili da vedere, come i materiali biologici che sono entrambi abbastanza invisibili agli elettroni e facilmente danneggiati", ha aggiunto McMorran. "Ma qui abbiamo dimostrato che possiamo usare le proprietà delle onde quantistiche degli elettroni per aggirare questi problemi, oltre a ottenere informazioni sulla natura fondamentale di come queste onde di elettroni interagiscono con i campi elettromagnetici come la luce". + Esplora ulteriormente
