- Sluitstuk , Onderzoek
- 17/10/2018
Sluitstuk | Elektronen geknipt voor snelle microscopie
Een elektronenmicroscoop is zo nauwkeurig dat je zelfs individuele atomen zichtbaar kunt maken. Om ook de razendsnelle atomaire bewegingen en processen te kunnen volgen, heb je echter ultrakorte elektronenpulsjes nodig. Promovendus Wouter Verhoeven maakte die met behulp van kleine koperen cilinders gevuld met oscillerende magneetvelden, en legde daarmee de basis voor een veelbelovend nieuwe meettechniek.
Elektronenmicroscopie, waarbij elektronen de rol van lichtdeeltjes overnemen, is een populaire methode om samples te onderzoeken op hun samenstelling en structuur. “Met een elektronenbundel kun je namelijk heel kleine structuren zichtbaar maken, en de elektronen richten minder schade aan dan het alternatief, röntgenstraling”, zegt Verhoeven.
Om supersnelle atomaire processen te kunnen volgen, is echter een microscoop nodig met een belichtingstijd van zo’n honderd femtoseconden. Om een idee te krijgen van hoe kort dat is: licht kan in een seconde bijna acht keer om de aarde, maar in honderd femtoseconden komt het niet verder dan de dikte van een mensenhaar. “Je hebt dus extreem korte elektronenpulsjes nodig, maar die moeten ook nog eens een hoge stroomdichtheid hebben om tot een scherpe afbeelding te komen, en dat is met de bestaande technieken moeilijk voor elkaar te krijgen.”
Knippen
Verhoeven en zijn collega’s van Coherence & Quantum Technology besloten daarom de benodigde elektronenpulsjes als het ware te ‘knippen’ uit een continue elektronenbundel. Omdat elektronen elektrisch geladen deeltjes zijn, kun je ze afbuigen met een magneetveld. Van die eigenschap werd slim gebruikgemaakt door een staande magnetische golf op te wekken in een zogeheten elektromagnetische resonator: een platte cilinder van een geleidend materiaal - in dit geval koper. In het binnenste van die cilinder varieert het magneetveld met een frequentie van drie gigahertz.
Een elektronenbundel die door de cilinder wordt gestuurd, verandert daar onder invloed van het oscillerende magneetveld in een heen en weer zwiepende straal, legt Verhoeven uit. “Direct achter de resonator plaatsen we een smalle spleet, waardoor er alleen elektronen doorgelaten worden op het moment dat het magneetveld de juiste waarde heeft om de elektronen richting de spleet af te buigen.”
Vervorming
Na een aantal minder geslaagde pogingen wist Verhoeven een resonator te maken die de gewenste elektronenpulsjes doorlaat. Door de koperen cilinder te vullen met een speciaal materiaal, kon hij de benodigde omvang met een factor zes verkleinen, vertelt hij. “Daardoor konden we met een relatief laag vermogen toch het benodigde magneetveld van 3 millitesla creëren. Hierdoor hebben we ook minder warmteontwikkeling en is het makkelijker om het systeem stabiel te houden. Een kleine vervorming van de cilinder is namelijk al funest.”
Toen dat werkte, ging Verhoeven nog een stap verder: van microscopie naar spectroscopie. Elektronen uit de puls worden in de sample elk op een iets andere manier afgeremd, en dragen daardoor informatie met zich mee over de samenstelling en structuur van het te bestuderen materiaal. “Door de elektronen achter de sample nog een keer door een resonator te laten gaan, kun je ze ruimtelijk scheiden op een detector”, legt de promovendus uit. “Dat werkt nog beter als je er een derde resonator met een elektrisch veld erin tussen zet om de pulsjes weer samen te drukken.”
Nauwkeuriger
In combinatie met een vierde resonator - om spreiding in de snelheid binnen de puls te verkleinen vóórdat die bij de sample komt - zou de methode geschikt zijn om zeer nauwkeurige spectroscopie mee te bedrijven, zo berekende Verhoeven. “De verwachting is dat we dan tientallen malen nauwkeuriger kunnen meten dan in andere gepulste experimenten. Dat gaan we nu op relevante samples testen met Kees Flipse van Molecular Materials and Nanosystems.” Verhoeven blijft daarvoor na zijn promotie nog een jaar aan de TU/e werken als postdoc.
Discussie