Elektronenmicroscoop maakt haarscherpe filmpjes en krijgt vierde dimensie

De Ultrafast Electron Microscope (UEM) kan scherpe elektronenmicroscoopfoto’s maken met tussenpozen van slechts 100 femtoseconden (een femtoseconde is een miljoenste van een miljardste seconde). Door deze extreem korte ‘belichtingstijd’ zijn voor het eerst haarscherpe filmpjes van bewegende objecten op atomaire schaal te maken. Het trillen van atomen in een kristal kan zo bijvoorbeeld real time worden gevolgd (Science, 21 november).

Conventionele elektronenmicroscopen maken beelden met erg hoge resoluties in de drie ruimtelijke dimensies – beter dan 0,1 nanometer (een nanometer is een miljoenste millimeter) – maar ze kunnen hun opnamen niet pijlsnel achter elkaar maken. De kortste tijdspanne tussen twee opeenvolgende opnames is in het beste geval van de orde van milliseconden. Wie processen wil vastleggen die sneller verlopen (en bijna alle processen op nanometerschaal zijn sneller), krijgt een verzameling beelden die niet op elkaar aansluiten.

De relatief trage beeldvorming is een gevolg van de manier waarop de beeldvormende elektronen in een conventionele microscoop uit de kathode worden losgerukt: door het metaal te verhitten of door een sterk elektrisch veld aan te leggen. De elektronenbundels laten zich dan moeilijk manipuleren.

Onderzoekers uit Californië vonden al in 2005 een manier om dat probleem te omzeilen (Proceedings of the National Academy of Sciences, mei 2005). Hun methode houdt in dat de kathode zeer kort met laserlichtpulsen wordt bestraald. Om de 100 femtoseconden bestookten ze het metaal van de kathode met fotonen uit de laser, waarbij door het foto-elektrisch effect elektronen worden losgerukt. De kleine elektronenbundels die ontstaan (hoogstens 10 elektronen per bundel) belichten vervolgens het object met tussenliggende perioden van 100 femtoseconden. Deze eerste UEM-versie had een nadeel: de elektronen kwamen met veel minder energie los uit de kathode, waardoor de beeldresolutie tamelijk slecht was. Dat probleem hebben de onderzoekers nu opgelost met een uv-laser. De energie van de uitgestraalde elektronen neemt dan 66 procent toe, zodat de golflengte kleiner wordt en de resolutie op het niveau ‘haarscherp’ komt. Senne Starckx

Filmpjes staan ophttp://ust.caltech.edu/movie_gallery