Kommen Sie der Attosekunde ganz nah! Elektronenmikroskop durchbricht die Grenze der Zeit- und Raumauflösung

Das heiße Thema im Zusammenhang mit Attosekunden ist, dass der diesjährige Nobelpreis für Physik an drei Experimentalphysiker auf dem Gebiet der Attosekundenphysik verliehen wurde. Sekunden sind in der menschlichen Welt bereits sehr kurz und Attosekunden sind ein für den Menschen schwer wahrnehmbarer Augenblick.

Attosekunden sind für den Menschen schwer wahrnehmbar und zu erfassen, für viele Forschungsfelder wie die Physik und die Informatik sind sie jedoch von großer Bedeutung. Öffnen Sie die Tür zu Attosekunden und die Wunder der mikroskopischen Welt erwarten uns.

Drei Experimentalphysiker auf dem Gebiet der Attosekundenphysik. Bildquelle: Offizielle Website des Nobelpreises

Eintritt in die Welt der Attosekunden

Attosekunde ist eine Zeiteinheit, 1 Attosekunde = 10^-18 Sekunden. Was bedeutet das? Die Anzahl der Attosekunden in einer Sekunde entspricht der Anzahl der Sekunden seit der Entstehung des Universums.

Bildquelle: Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften

Konkreter ausgedrückt: Ein Lichtstrahl benötigt mehrere zehn Milliarden Attosekunden, um von einem Ende eines durchschnittlich großen Raums zur Wand am anderen Ende zu gelangen. Im Vakuum beträgt die Entfernung, die Licht in einer Attosekunde zurücklegen kann, etwa 0,3 Nanometer.

Ein kleiner Kolibri kann seine Flügel 80 Mal pro Sekunde schlagen, für das menschliche Auge erscheinen seine Flügel jedoch verschwommen. Um ein Foto von den Flügeln eines Kolibris im Flug zu machen, benötigen Sie Hochgeschwindigkeitsfotografie und der Geschwindigkeit entsprechende Beleuchtungstechniken.

Auch in der mikroskopischen Welt ändern sich Position und Energie eines Elektrons in der Größenordnung von Attosekunden, wenn es sich zwischen Atomen bewegt. Wer die Bewegungszustände von Elektronen erforschen und „Videos davon aufnehmen“ möchte, ist auf die Hilfe von Attosekunden-Laserpulsen angewiesen. Ein Attosekunden-Laserpuls ist ein Lichtblitz mit einer Dauer von Attosekunden.

Momentaufnahme der Attosekunden-Blitzerzeugung. Bildnachweis: Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Thorsten Naeser

Sein Erscheinen hat eine neue Tür zur mikroskopischen Welt geöffnet, was bedeutet, dass die Fähigkeit der Menschen, die Struktur der Materie zu untersuchen, eine neue Ebene erreicht hat, und hat auch einen neuen Trend im Forschungsfeld der Grundlagenphysik ausgelöst.

Derzeit schweben dunkle Wolken über dem Gebäude der Physik, doch Attosekundenpulse könnten etwas Hoffnung bringen.

Attosekunden-Elektronenmikroskopie

Die Grenzen der Auflösung optischer Mikroskopie durchbrechen

Um die durch die Bewegung von Elektronen verursachten Änderungen im elektromagnetischen Feld zu beobachten, ist nicht nur ein ausreichend schnelles Blitzlicht erforderlich, sondern auch ein Mikroskop mit einer Auflösung, die bis in den atomaren Bereich reicht – ein Transmissionselektronenmikroskop.

Elektronenmikroskope sind in der Lage, die atomare Struktur der beobachteten Probe abzubilden. Derzeit kann das Elektronenmikroskop mit der höchsten Auflösung eine Auflösung von 0,5 Angström (0,05 Nanometer) erreichen.

Hochauflösende Elektronenmikroskopie einer Magnesiumprobe. Bildquelle: Wikipedia

In der Anfangszeit entdeckte man bei der Verwendung herkömmlicher optischer Systeme zur Beobachtung allmählich das Auflösungsproblem optischer Systeme.

Im Jahr 1834 entdeckte George Biddell Airy bei der Beobachtung von Himmelskörpern mit einem astronomischen Teleskop das durch die Wellennatur des Lichts verursachte Beugungsphänomen.

Im Jahr 1835 schlug er das Konzept der Airy-Scheibe vor, einer optischen Beugungsgrenze für die Auflösung.

Im Jahr 1878 wies Cleveland Abbe darauf hin, dass das Auflösungsvermögen optischer Mikroskope durch die Beugung der Lichtwellen begrenzt wird, und gab eine Formel an, die die Grenze des Auflösungsvermögens von Mikroskopen darstellt. Er wies darauf hin, dass das Auflösungsvermögen von Mikroskopen durch die Wellenlänge des Lichts begrenzt wird. Das derzeitige herkömmliche optische Mikroskop verfügt über eine begrenzte Auflösung von mehreren hundert Nanometern.

Im Jahr 1924 schlug de Broglie die Wellennatur der Elektronen vor, was zeigte, dass die Bewegung der Elektronen tiefgreifende Ähnlichkeiten mit Lichtwellen aufwies und eine theoretische Grundlage für die Entstehung und Entwicklung der Elektronenoptik legte.

Zu dieser Zeit diskutierte eine Gruppe von Physikern über den Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts, und de Broglies Theorie sorgte für äußerste Aufregung in der Physikergemeinde. Er selbst erhielt außerdem den Nobelpreis für Physik für seine Entdeckung der Wellennatur von Elektronen und seine Forschungen zur Quantentheorie.

Schnelle Elektronen können durch rotationssymmetrische elektrische oder magnetische Felder gebrochen und fokussiert werden. Das bedeutet, dass sich elektrische oder magnetische Felder zur Herstellung von Elektronenlinsen verwenden lassen, genau wie man aus Glas Linsen herstellen kann, die Licht brechen.

Mit einer ausreichenden theoretischen Grundlage war die Entstehung und Entwicklung des Elektronenmikroskops eine natürliche Folge.

1931 wurde das erste Transmissionselektronenmikroskop vorgestellt. Es handelte sich um eine Modifikation eines Kathodenstrahloszilloskops und die Bildvergrößerung betrug nur das 13-fache. 1939 wurde das erste kommerzielle Elektronenmikroskop mit einer Auflösung von weniger als 10 Nanometern hergestellt.

Frühes Transmissionselektronenmikroskop. Bildquelle: Wikipedia

Attosekunden-Elektronenmikroskopie:

Eine neue Tür in der Physik öffnen

„Attosekunden-Lichtimpuls + Transmissionselektronenmikroskop“, diese Kombination bedeutet, dass sich der Aufenthaltsort der Elektronen vor der Nase des Attosekunden-Elektronenmikroskops nirgends verstecken kann!

Bildquelle: Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften

Im Jahr 2023 berichtete ein Artikel in der Zeitschrift Nature über den Einsatz der Attosekunden-Elektronenmikroskopie zur Beobachtung der Elektronenbewegung auf der Oberfläche eines Objekts, wenn das Objekt mit einem Laser bestrahlt wurde.

Bildquelle: Referenz [1]

In diesem Experiment verwendeten Wissenschaftler Attosekunden-Laserpulse, um den Elektronenstrahl in eine Reihe von Elektronenpulsen mit einer Dauer von Attosekunden zu modulieren. Die verschiedenen Signale, die durch die auf die Probe treffenden Impulse erzeugt wurden, wurden mit einem Energiefilter herausgefiltert, um Rauschen zu entfernen, und die durch die Elektronenbewegung erzeugten Fotos des elektrischen Felds wurden aufgezeichnet, um den Bewegungszustand der Elektronen zu erhalten.

Wenn eine Reihe dieser Fotos übereinandergelegt werden, erhalten wir ein „Video“ der Elektronenbewegung.

Bild der Elektronenenergie-Änderung über die Zeit, 1fs (Femtosekunde) = 1000as (Attosekunde) Bildquelle: Referenz [1]

Die Bewegung von Elektronen genau zu messen, ihre physikalischen Eigenschaften zu verstehen und dann das dynamische Verhalten von Elektronen innerhalb von Atomen zu kontrollieren, ist eines der wichtigen wissenschaftlichen Ziele, die die Menschen verfolgen. Mit Attosekundenpulsen können wir einzelne mikroskopische Partikel messen und sogar manipulieren und so grundlegendere und prinzipiellere Beobachtungen und Beschreibungen der mikroskopischen Welt durchführen.

Abschluss

Schauen Sie hinauf in die Weite des Universums und hinunter auf die Artenvielfalt.

Betrachtet man die Entwicklungsgeschichte der Naturwissenschaften, fällt es nicht schwer, festzustellen, dass der Mensch nie aufgehört hat, die mikroskopische Welt zu erforschen. Durch den rasanten technologischen Fortschritt verfügen wir heute über mehr Mittel und Werkzeuge, um die Tür zur mikroskopischen Welt zu öffnen. Obwohl die Erforschung noch im Gange ist, werden die Menschen irgendwann die Lebendigkeit der mikroskopischen Welt erkennen.

Verweise

[1] Nabben, David, Joel Kuttruff, Levin Stolz, Andrey Ryabov und Peter Baum. „Attosekunden-Elektronenmikroskopie der optischen Subzyklusdynamik.“ Nature (2023): 1-5.

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[3] Dai Chen, Wang Yang, Miao Zhiming, Zheng Wei, Zhang Linfeng und Wu Chengyin. „Erzeugung höherer Harmonischer und Anwendungen basierend auf der Femtosekunden-Laser-Materie-Wechselwirkung.“ Laser & Optoelectronics Progress 58, Nr. 3 (2021): 0300001-30000114.

[4] Huang Siyuan, Tian Huanfang, Zheng Dingguo, Li Zhongwen, Zhu Chunhui, Yang Huaixin und Li Jianqi. „Entwicklung und Anwendung eines Transmissionselektronenmikroskops mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung.“ Weltweite Wissenschafts- und Technologieforschung und -entwicklung 44, Nr. 3 (2022): 392.

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Planung und Produktion

Autor: Gesalzener Fisch im Meer (Master of Optics vom Changchun Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Produziert von Science Popularization China

Produzent: China Science Expo

Herausgeber: Bai Li