Lompat ke konten Lompat ke sidebar Lompat ke footer

Teknik Laser Baru dapat Meningkatkan Mikroskop Elektron

Terbaik dari kelompok: teknik baru dapat digunakan untuk membagi berkas elektron menjadi rangkaian pulsa fase-koheren. (Courtesy: Shutterstock/Anteromite)

Sebuah teknik baru yang memungkinkan laser untuk memanipulasi energi dan fase elektron dalam mikroskop elektron telah diungkapkan oleh para peneliti di Jerman dan Swiss. Teknik ini membuka aplikasi potensial baru dalam spektroskopi elektron dan dapat digunakan di masa depan untuk menghasilkan keterikatan elektron-foton.

Dikembangkan pada tahun 1930-an, mikroskop elektron bisa dibilang merupakan teknologi paling penting yang kita miliki untuk mempelajari materi pada skala atom. Ini karena panjang gelombang elektron yang digunakan jauh lebih pendek daripada cahaya tampak – dan bahkan sinar-X biasa. Namun, sementara kemajuan dalam fotonik seperti elektrodinamika kuantum rongga telah memungkinkan kontrol cahaya pada presisi yang sangat tinggi, memanipulasi berkas elektron tetap jauh lebih menantang.

Satu peluang terletak pada pemanfaatan kopling antara elektron dan foton, memungkinkan laser optik untuk memodulasi berkas elektron. Sayangnya, kopling ini relatif lemah, dan karena itu memerlukan laser berdaya tinggi, yang mahal dan tidak dapat dioperasikan dalam rezim gelombang kontinu karena akan merusak peralatan sensitif.

Solusi halus

Dalam penelitian baru, para ilmuwan di Institut Max Planck untuk Ilmu Multidisiplin dan Universitas Georg-August, keduanya di Göttingen, dan Institut Teknologi Federal Swiss di Lausanne sampai pada solusi halus menggunakan fotonik terintegrasi. Mereka menggabungkan serat optik ke rongga silikon nitrida dengan faktor kualitas sekitar satu juta pada chip silikon. Ketika diteruskan ke serat optik, sinar laser gelombang kontinu berdaya rendah memompa rongga, memperkuat miliwatt menjadi ribuan watt, semuanya pada frekuensi yang sangat ditentukan.

Para peneliti kemudian melewati berkas mikroskop elektron dekat dengan rongga. Mereka menemukan bahwa, pada frekuensi resonansi tertentu, elektron digabungkan ke medan cepat berlalu dr ingatan rongga, yang merupakan komponen medan elektromagnetik non-propagasi yang hanya ditemukan di sekitar sumber. Ini menyebabkan serangkaian pita samping muncul di sekitar puncak energi elektron pusat. “Sinar elektron berperilaku sedemikian rupa sehingga bergantung pada panjang gelombang eksitasi optik resolusi mikroelektronvolt ini,” jelas Claus Ropers di Göttingen, yang ikut memimpin penelitian: “Mungkin ada kemungkinan di masa depan tidak hanya untuk mengkarakterisasi rongga ini tetapi untuk menerjemahkan ini ke bentuk lain dari spektroskopi elektron.”

Salah satu contohnya adalah spektroskopi kehilangan energi elektron, di mana seberkas elektron dengan kisaran energi yang sempit dilewatkan melalui material dan energi elektron yang tersebar diukur dan digunakan untuk menyimpulkan tingkat energi elektronik material. Dengan menggunakan rongga untuk memilih frekuensi eksitasi tertentu, seharusnya dimungkinkan untuk mengontrol energi eksitasi – dan oleh karena itu untuk menyimpulkan kerugian setelah hamburan – jauh lebih tepat daripada sebelumnya.

Spektroskopi canggih

Kemungkinan lain lebih kompleks: perluasan spektrum energi menyebabkan berkas elektron terpecah menjadi rangkaian pulsa fase-koheren, dan para peneliti berharap untuk menggunakannya untuk mempelajari interaksi yang bergantung pada waktu. “Bentuk spektroskopi yang lebih rumit telah dikembangkan dalam optik yang memungkinkan wawasan mikroskopis yang lebih dalam ke dalam proses dinamis jika Anda beralih dari spektroskopi biasa ke spektroskopi koheren,” kata Ropers. “Tujuan jangka panjangnya adalah untuk mentransfer skema yang sangat maju dalam spektroskopi optik ke spektroskopi elektron.”

Para peneliti juga bekerja pada aplikasi di luar spektroskopi: "Ini adalah cara paling efisien, terbersih, paling terkontrol yang pernah dilakukan berkas elektron dengan fotonik," kata rekan pemimpin Tobias Kippenberg di Lausanne. Mereka percaya ini dapat digunakan untuk menciptakan keterikatan kuantum antara elektron dan foton. “Saat ini, ada banyak sekali foton di rongga, jadi keadaan akhir rongga tidak terlalu berbeda jika satu elektron mengambil satu foton,” jelas Ropers; “Tetapi katakanlah Anda tidak menggerakkan ini dengan laser, tetapi dengan satu sumber foton, maka rongga ini dapat menyebabkan keterjeratan antara keadaan rongga dan keadaan elektron.”

Fisikawan laser ultracepat Martin Kozák dari Universitas Charles di Praha mengatakan bahwa hasil kunci dari penelitian ini adalah peningkatan yang kuat dari kekuatan sambungan antara foton dan elektron yang datang, yang memungkinkan para ilmuwan untuk memodulasi fungsi gelombang berkas elektron menggunakan laser gelombang kontinu hanya 1 daya mW. 

Ini dimungkinkan oleh faktor kualitas rongga optik yang luar biasa tinggi. “[Ada penelitian] yang telah menunjukkan interaksi inelastis elektron dengan medan optik, tetapi kombinasi kebutuhan daya rendah dengan sambungan serat memungkinkan perangkat ini dipasang di mikroskop elektron apa pun” kata Kozák. "Ini mungkin tampak seperti kemajuan teknis tetapi berkas elektron termodulasi fase terus menerus membuka bidang baru optik kuantum dengan elektron bebas."

Penelitian ini dijelaskan di jurnal Nature.