Kuantumun bünyesinde barındırdığı tuhaflık, yüksek çözünürlüklü görüntülemede kullanılan elektron mikroskopları için yeni kapılar açıyor.
Oregon Üniversitesi Fizikçisi Ben McMorran’ın laboratuvarında bu mikroskoplar için çalışmalar yapılıyor. Yapmış oldukları iki yeni gelişme ile mikroskopları iyileştiriyor. Her iki gelişme de kuantum mekaniğinin temel ilkelerinden yararlanarak düşünülmüş.
Fizikteki Dualite
Bir elektron aynı anda bir dalga ve bir parçacık gibi davranabilir. Bu, atom altı parçacıkların genellikle klasik fizik yasalarını ihlal ediyormuş gibi davrandığı tuhaf, kuantum düzeyindeki tuhaflıkların birçok örneğinden biridir.
Çalışmalardan biri, mikroskop altında bir nesneyi temas etmeden incelemenin bir yolunu buluyor ve incelemenin kırılgan örneklere zarar vermesini önlüyor.
İkincisi, bir numune üzerinde aynı anda iki ölçüm yapmanın bir yolunu tasarlayarak, o nesnedeki parçacıkların potansiyel olarak mesafeler arasında nasıl etkileşime girdiğini incelemenin bir yolu üzerinden incelemelerini gerçekleştiriyor.
Çalışmaların her ikisi de Physical Review Letters’da yayınlanan iki makalede bildirdiler.
McMorran, “Özellikle ayrıntılara bakarken, onu etkilemeden bir şeyi gözlemlemek genellikle zordur. Bu aslında fizikçilere hiç de yabancı değil. Heisenberg Belirsizlik İlkesini anlatıyor. Kuantum fiziği, numunelere onları bozmadan daha fazla bakmamız için bir yol sağlıyor gibi görünüyor.”
Elektron mikroskopları, yeni tür malzemeler gibi biyolojik olmayan örneklerin yanı sıra proteinlerin ve hücrelerin yakından görüntülerini elde etmek için kullanılır.
Daha geleneksel mikroskoplarda kullanılan ışık yerine, elektron mikroskopları bir numunede bir elektron demetini odaklar. Işın numune ile etkileşime girdiğinde, bazı özellikleri değişir. Bir dedektör, ışındaki değişiklikleri ölçer ve daha sonra yüksek çözünürlüklü bir görüntüye dönüştürülür.
Ancak bu güçlü elektron ışını, numunedeki kırılgan yapılara zarar verebilir. Zamanla, bilim adamlarının incelemeye çalıştığı ayrıntıları bozabilir.
Geçici bir çözüm olarak, McMorran’ın ekibi 1990’ların başında yayınlanan ve hassas bir bombayı ona dokunmadan ve patlatma riskini almadan tespit etmenin bir yolunu öneren bir düşünce deneyi kullandı.
İşin püf noktası, kırınım ızgarası adı verilen, içinde mikroskobik yarıklar bulunan ince bir zar olan bir alete dayanır. Elektron ışını kırınım ızgarasına çarptığında ikiye bölünür.
McMorran’s’ta yüksek lisans öğrencisi Amy Turner, bu ışın bölücü kırınım ızgaralarının doğru hizalanmasıyla, “elektron içeri girer ve iki yola ayrılır, ancak daha sonra yeniden birleşir, böylece iki olası çıktıdan yalnızca birine gider” dedi.
“Fikir şu ki, bir örneği bıraktığınızda elektronun kendisiyle etkileşimi kesintiye uğrar.”
Elektron Mikroskoplarında Yeni Dönem
Bu kurulumda elektronlar, geleneksel elektron mikroskobunda olduğu gibi numuneye çarpmazlar. Bunun yerine, elektron ışınının yeniden birleşme şekli, kapsam altındaki numune hakkında bilgi verir.
Başka bir çalışmada, McMorran’ın ekibi, bir örneği aynı anda iki yerde ölçmek için benzer bir kırınım ızgarası düzeni kullandı. Bir elektron demetini, küçük bir altın parçacığın her iki yanından geçecek şekilde bölerler ve elektronların her iki taraftaki parçacığa aktardığı küçük enerji parçalarını ölçtüler.
Bu yaklaşım, bir numuneyle ilgili hassas atomik düzeydeki nüansları ortaya çıkarabilir ve parçacıkların bir numunede nasıl etkileştiğini anlayabilir.
Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuarı‘nda doktora sonrası araştırmacı olan Cameron Johnson, “Bunun özel yanı, iki ayrı parçasına bakabilir ve ardından toplu bir salınım mı yoksa ilişkisiz mi olduğunu görmek için bunları bir araya getirebilmenizdir” dedi.
McMorran’ın laboratuvarında doktora çalışması yaptı ve çalışmaya öncülük etti. “Mikroskobun enerji çözünürlüklerinin ve normalde erişilemeyen prob etkileşimlerinin sınırlarının ötesine geçebiliriz.”
İki çalışma farklı türde ölçümler yaparken, interferometri olarak bilinen aynı temel kurulumu kullanıyorlar.
İnterferometri Nedir ve Tanıyalım?
İnterferometri, bilgi çıkarmak için bindirilmiş dalgaların girişimini kullanan bir tekniktir. İnterferometri tipik olarak elektromanyetik dalgaları kullanır ve astronomi, fiber optik, mühendislik metrolojisi, optik metroloji, oşinografi, sismoloji, spektroskopi (ve kimyadaki uygulamaları), kuantum mekaniği, nükleer ve parçacık fiziği, plazma fiziği alanlarında önemli bir araştırma tekniğidir. Uzaktan algılama, biyomoleküler etkileşimler, yüzey profili oluşturma, mikroakışkanlar, mekanik stres/gerilme ölçümü, hız ölçümü, optometri ve hologram yapma yöntemlerinde kullanılmaktadır.
Turner, “Bu, türünün ilk elektron interferometresidir.” Dedi. “İnsanlar daha önce kırınım ızgaraları kullandılar, ancak bu, farklı deneyler için ayarlanabilen işlevsel, esnek bir versiyon.”
McMorran, doğru malzemeler ve talimatlarla kurulumun mevcut birçok elektron mikroskobuna eklenebileceğini söyledi. Ekibi, interferometreyi kendi mikroskoplarında kullanmak isteyen diğer laboratuvarlardaki araştırmacıların ilgisini çoktan çekti.
McMorran, “Bir elektron mikroskobu, atom ölçeğindeki şeylere bakmamıza izin veriyor, ancak hem elektronlar için oldukça görünmez olan hem de kolayca hasar gören biyolojik malzemeler gibi birçok şeyi görmek zor,” diye ekledi.
“Fakat burada, elektronların kuantum dalga özelliklerini, bu problemlerin üstesinden gelmek ve bu elektron dalgalarının ışık gibi elektromanyetik alanlarla nasıl etkileşime girdiğinin temel doğası hakkında fikir edinmek için kullanabileceğimizi gösterdik.”
Kaynak: Phys.org
