מדענים הצליחו לצפות בפוטונים בעזרת אלקטרונים

שיטות שפותחו לאחרונה ע”י חוקרים מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה (Caltech) – המאפשרות לחזות בשינויים ננומטריים מהירים ורגעיים במבנה של חומר בזמן אמת

שיטות שפותחו לאחרונה ע”י חוקרים מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה (Caltech) – המאפשרות לחזות בשינויים ננומטריים מהירים ורגעיים במבנה של חומר בזמן אמת – שימשו לדמות את השדות החשמליים המשתנים הנוצרים בעקבות יחסי-הגומלין שבין אלקטרונים ופוטונים, ולעקוב אחר שינויים במבנים אטומיים.

מאמרים, המתארים את השיטות החדשניות, מופיעים בגיליון השבעה-עשר בדצמבר של כתב-העת המדעי Nature ובגיליון השלושים באוקטובר של כתב-העת המדעי Science.

מיקרוסקופיה ארבע-ממדית (4D) – הגישה שעליה מבוססת השיטה החדשנית – פותחה במרכז לביולוגיה פיסיקלית לטכנולוגיה ומדע מהיר ביותר בקלטק. בראש מרכז זה עומד Ahmed Zewail, פרופסור לכימיה בקלטק, חתן פרס הנובל לכימיה לשנת 1999.

Zewail זכה בפרס הנובל עבור היותו חלוץ התחום המדעי של פמטו-כימיה, השימוש בהבזקי לייזר קצרים ביותר לצפייה בתגובות כימיות בסיסיות המתרחשות בסקאלת זמנים של פמטו-שנייה (החלק הקוודריליון של שנייה, אלפית של ננו-שנייה). המחקר “הצליח ללכוד אטומים ופרודות במהלך תנועתם,” אומר Zewail, אולם בעוד ש”צילומים” אלו של הפרודות מספקים את מימד הזמן של תגובות כימיות, הם אינם תורמים למימד המרחב של תגובות אלו – כלומר, המבנה או הארגון שלהן במרחב.

החוקרים הצליחו לצפות בארגון המרחבי החסר באמצעות מיקרוסקופיה ארבע-ממדית, המשתמשת באלקטרונים נפרדים בכדי להביא את מימד הזמן לתוך מיקרוסקופיה אלקטרונית גבוהת-רזולוציה טיפוסית ובכך לספק דרך המאפשרת לצפות ברמה האטומית במבנה המשתנה של מערכות מורכבות .

במחקר, המתואר במאמרם, המדענים הצליחו למקד אלומת אלקטרונים לתוך מתחם ננומטרי מוגדר המצוי בדגימה, ובכך התאפשר להם להבחין במבנים ננומטריים נקודתיים ברמה האטומית. בשיטה של השתברות אלקטרונים עצם מסוים מואר ע”י אלומת אלקטרונים. האלקטרונים מוחזרים מאטומי העצם, מתפזרים החוצה ומגיעים לגלאי. התבניות המתקבלות בגלאי מספקות מידע שימושי בדבר מיקומם המרחבי המדויק של האטומים בחומר הנבדק. אולם, אם האטומים מצויים בתנועה, התבניות המתקבלות מטושטשות, ומערפלות ע”י כך פרטים לגביי שינויים בקנה-מידה זעום המתרחשים בחומר.

השיטה החדשה שפותחה ע”י המדענים פותרת את בעיית הטשטוש באמצעות השימוש בפעימות אלקטרונים במקום בזרם קבוע שלהם. הדגימה הנבדקת – באחד המקרים פיסה של צורן גבישי – מחוממת תחילה באמצעות פעימה קצרה של אור לייזר. לאחר-מכן, הדגימה מוקרנת ע”י פעימות אלקטרונים במרווחי זמן של פמטושניות, האלקטרונים מוחזרים החוצה מהאטומים ויוצרים בסופו של התהליך את תבנית ההשתברות המתקבלת בגלאי.

מאחר ופעימות האלקטרונים מאוד קצרות בזמן, לאטומים המחוממים אין די זמן לזוז הרבה; “משך חשיפה” קצר זה הוא המעניק לתמונות את חדותן. ע”י כוונון זמן ההשהיה שבין רגע חימום הדגימה לבין רגע הצילום שלה, המדענים מסוגלים לאסוף ספריית צילומים “דוממים” המחוברים יחדיו לאחר-מכן ליצירת סרטון, בדומה לתהליך האנימציה המסורתי.

“בעיקרון, כל הדגימות איתן אנו עובדים הן אחידות,” מסביר החוקר הראשי, עם קיום שינויים קטנים מאוד בהרכב בתוך מתחמים זעירים. “שיטה זו מספקת כלים לבחינת מתחמים מקומיים בחומרים ובמבנים ביולוגיים, עם כושר-הפרדה מרחבי של ננומטר ומטה ובהפרדת זמנים של פמטושניות.”

שיטת ההשתברות החדשנית מאפשרת מיפוי של מבנה החומרים ברמה האטומית. בעזרת השיטה השנייה – שפורטה במאמר שפורסם ב- Nature – האור הנפלט מננו-מבנים אלו ניתן למיפוי ולהדמיה. הרעיון מאחורי שיטה זו מבוסס על יחסי-הגומלין שבין אלקטרונים לבין פוטונים. פוטונים מייצרים שדות זמניים בננו-מבנים, ואלקטרונים מסוגלים לנצל את האנרגיה של שדות אלו – הניתנים לצפייה במיקרוסקופיה ארבע-ממדית.

במה שמכונה “אפקט אלקטרונים מושרי-פוטונים של שדה קרוב” (photon-induced near-field electron), חומרים מסוימים – לאחר פגיעתם ע”י אלומות לייזר – ממשיכים “לזהור” למשך זמן קצר, אך מדיד (בסדר גודל של עשרות עד מאות פמטושניות). בניסוי שלהם, החוקרים האירו ננו-צינורות פחמן וננו-חוטים של כסף בפעימות קצרות של אלומת לייזר שנבעו מאלקטרונים שנפלטו קודם. השדות הזמניים התמידו בקיומם למשך מספר פמטושניות, והאלקטרונים “אספו” מהם אנרגיה במשך זמן זה בכמויות בדידות בהתאם לאורך-הגל של אלומת הלייזר.

יתרונה של שיטה זו טמון בעובדה כי היא מספקת דרך לחזות בשדות הזמניים כאשר האלקטרונים שקיבלו אנרגיה עודפת מהם מזוהים באופן בררני, וכי ניתן לדמות בעזרתה את ננו-המבנים עצמם.

“כפי שתואר ע”י מבקרי המאמרים הללו, שיטת צפייה זו פותחת מחוזות חדשים של אפשרויות הדמיה עם היכולת להשפיע על תחומי מחקר כגון פלסמוניקה (plasmonics), פוטוניקה (photonics) ותחומים קרובים,” מציין החוקר הראשי. “מה שמרתק, מנקודת מבטה של הפיסיקה הבסיסית, היא היכולת לדמות פוטונים באמצעות אלקטרונים. באופן רגיל, בשל חוסר-ההתאמה שבין האנרגיה והתנע של אלקטרונים ופוטונים, לא צפינו את כוחו של האפקט הנבדק בשיטה החדשנית שלנו או את היכולת לחזות בו בממד הזמן והמרחב יחדיו.”

הידיעה מהאוניברסיטה