세계에서 가장 빠른 전자현미경
- 기술 / 문광주 기자 / 2023-06-04 14:16:40
3'10" 읽기
레이저 기술과 전자 현미경의 결합으로 아토초 시간 분해능 달성
전자 현미경의 발명은 마이크로 세계에 대한 연구에 혁명을 일으켰다. 파동 입자 특성과 짧은 파장 덕분에 전자빔은 광학 현미경보다 훨씬 더 높은 해상도를 달성한다. 예를 들어, 고체의 원자 구조, 분자의 구조 또는 나노입자의 모양을 가시화한다. 특별한 샘플 준비 방법 덕분에 극저온 전자 현미경은 바이러스 단백질이나 세포 과정의 세부 사항까지 보여준다.
가벼운 물질 상호작용에 너무 느림
그러나 문제가 있다. 전자 현미경은 1nm(나노미터) 미만의 높은 공간 분해능을 달성하지만 그리 빠르지는 않다. 화학 반응이나 빛과 물질의 상호작용을 포착하기 위해 최대 펨토초의 시간 분해능은 지금까지 충분하지 않았다. "광학, 나노포토닉스 또는 메타물질의 거의 모든 현상은 아토초 단위로 발생합니다. 아토초는 10억분의 1초다.
"빛과 물질 사이의 초고속 상호작용을 시각화할 수 있으려면 빛의 진동 주기 미만의 시간 분해능이 필요하다"고 Baum은 말했다. 그래서 그와 그의 팀은 이제 아토초 간격으로 사진을 찍을 수 있는 투과 전자 현미경을 개발해 많은 초고속 프로세스에 필요한 시간 해상도를 달성했다.
레이저는 전자빔을 초단파 펄스로 변환
새로운 아토초 전자현미경의 기본은 전자빔의 변조다. 이것은 적외선 연속 레이저로 측면에서 조명되는 빔 경로의 각도에 위치한 매우 얇은 실리콘 멤브레인에 의해 보장된다. 이것은 막을 자극하여 초고속으로 진동시킨다. 이에 따라 막을 때리는 전자는 교대로 가속 및 감속된다.
"결과적으로 전자는 서로를 따라잡고 일정 시간이 지나면 일련의 초단 전자 펄스로 변한다"라고 콘스탄츠(Konstanz) 대학의 제1저자인 다비드 나벤(David Nabben)은 설명했다. 전자 펄스는 레이저 발진과 시간에 따라 서로를 따르므로 몇 아토초의 간격에 도달한다. 그들은 이제 스트로보스코프처럼 조사할 물체를 비추므로 그에 상응하는 높은 시간 해상도의 스냅샷을 제공한다. 샘플을 검사하기 위해 레이저 빔의 두 번째 약한 부분이 검사할 물체로 향한다. 빛과 물질의 상호작용을 관찰하는 데 필요한 에너지와 광자를 제공한다.
"Pimped" 전자현미경은 필드 진동도 볼 수 있게 한다.
초기 테스트에서 Nabben과 그의 동료들은 이미 새로운 아토초 현미경을 사용하여 다양한 나노광자 현상을 관찰했다. 첫째, 그들은 강렬한 레이저 빛으로 조사된 텅스텐 바늘 주변의 전기장을 이미지화하기 위해 그것을 사용했다. 과학자들은 또한 나노 안테나의 끝에서 플라즈몬 표면파 또는 유전체 나노 공진기의 빛에 대한 반응을 성공적으로 이미지화할 수 있었다. 평면 도파관 내부의 전자기 프로세스도 필름으로 캡처할 수 있다.
"결과는 전자 현미경과 아토초 레이저 연구의 이러한 조합의 가치를 강조한다"고 Nabben과 그의 팀이 말했다. 새로운 방법은 전자 현미경의 기능을 확장하여 이제 전자기장 진동과 시공간에서의 간섭 패턴을 이미지화할 수 있다.
나노 세계의 역학에 대한 새로운 통찰력
연구팀에 따르면 아토초 전자현미경은 빛과 물질의 상호작용의 미묘함을 탐구할 수 있는 새로운 기회를 제공한다. "우리의 실험은 시간과 공간 모두에서 복잡한 물질의 빛과 물질 사이의 동적 상호작용을 시각화하는 다용도의 민감한 방법으로 아토초(attosecond) 전자 현미경을 설정한다"고 연구원은 썼다.
그러나 아토초 전자 현미경은 예를 들어 광자 집적 회로 또는 메타 물질과 같은 새로운 개발을 가능하게 하는 데에도 도움이 될 수 있다.
(Nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-023-06074-9)
출처: Universität Konstanz
레이저 기술과 전자 현미경의 결합으로 아토초 시간 분해능 달성
세계에서 가장 빠른 전자현미경
레이저 기술과 전자 현미경의 결합으로 아토초 시간 분해능 달성
시간과 공간의 고해상도:
연구자들은 처음으로 초고속 프로세스(예: 물질과 빛의 반응)를 캡처할 수 있는 방식으로 전자 현미경을 개조했다. 이것은 전자빔의 레이저 보조 변조에 의해 가능해졌으며, 팀이 "Nature"에 보고한 것처럼 아토초 간격으로 스냅샷을 찍을 수 있다. 이를 통해 일종의 필름에 전자기장의 진동까지 포착할 수 있다.
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| ▲ 이 설정은 세계에서 가장 빠른 전자 현미경이다. 처음으로 아토초 범위의 시간 해상도를 달성했다. © Gillian Kiliani/ 콘스탄츠 대학교 |
전자 현미경의 발명은 마이크로 세계에 대한 연구에 혁명을 일으켰다. 파동 입자 특성과 짧은 파장 덕분에 전자빔은 광학 현미경보다 훨씬 더 높은 해상도를 달성한다. 예를 들어, 고체의 원자 구조, 분자의 구조 또는 나노입자의 모양을 가시화한다. 특별한 샘플 준비 방법 덕분에 극저온 전자 현미경은 바이러스 단백질이나 세포 과정의 세부 사항까지 보여준다.
가벼운 물질 상호작용에 너무 느림
그러나 문제가 있다. 전자 현미경은 1nm(나노미터) 미만의 높은 공간 분해능을 달성하지만 그리 빠르지는 않다. 화학 반응이나 빛과 물질의 상호작용을 포착하기 위해 최대 펨토초의 시간 분해능은 지금까지 충분하지 않았다. "광학, 나노포토닉스 또는 메타물질의 거의 모든 현상은 아토초 단위로 발생합니다. 아토초는 10억분의 1초다.
"빛과 물질 사이의 초고속 상호작용을 시각화할 수 있으려면 빛의 진동 주기 미만의 시간 분해능이 필요하다"고 Baum은 말했다. 그래서 그와 그의 팀은 이제 아토초 간격으로 사진을 찍을 수 있는 투과 전자 현미경을 개발해 많은 초고속 프로세스에 필요한 시간 해상도를 달성했다.
레이저는 전자빔을 초단파 펄스로 변환
새로운 아토초 전자현미경의 기본은 전자빔의 변조다. 이것은 적외선 연속 레이저로 측면에서 조명되는 빔 경로의 각도에 위치한 매우 얇은 실리콘 멤브레인에 의해 보장된다. 이것은 막을 자극하여 초고속으로 진동시킨다. 이에 따라 막을 때리는 전자는 교대로 가속 및 감속된다.
"결과적으로 전자는 서로를 따라잡고 일정 시간이 지나면 일련의 초단 전자 펄스로 변한다"라고 콘스탄츠(Konstanz) 대학의 제1저자인 다비드 나벤(David Nabben)은 설명했다. 전자 펄스는 레이저 발진과 시간에 따라 서로를 따르므로 몇 아토초의 간격에 도달한다. 그들은 이제 스트로보스코프처럼 조사할 물체를 비추므로 그에 상응하는 높은 시간 해상도의 스냅샷을 제공한다. 샘플을 검사하기 위해 레이저 빔의 두 번째 약한 부분이 검사할 물체로 향한다. 빛과 물질의 상호작용을 관찰하는 데 필요한 에너지와 광자를 제공한다.
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| ▲ 레이저 기술과 투과 전자 현미경의 결합으로 새로운 기술이 가능해졌다. © Gillian Kiliani/ 콘스탄츠 대학교 |
"Pimped" 전자현미경은 필드 진동도 볼 수 있게 한다.
초기 테스트에서 Nabben과 그의 동료들은 이미 새로운 아토초 현미경을 사용하여 다양한 나노광자 현상을 관찰했다. 첫째, 그들은 강렬한 레이저 빛으로 조사된 텅스텐 바늘 주변의 전기장을 이미지화하기 위해 그것을 사용했다. 과학자들은 또한 나노 안테나의 끝에서 플라즈몬 표면파 또는 유전체 나노 공진기의 빛에 대한 반응을 성공적으로 이미지화할 수 있었다. 평면 도파관 내부의 전자기 프로세스도 필름으로 캡처할 수 있다.
"결과는 전자 현미경과 아토초 레이저 연구의 이러한 조합의 가치를 강조한다"고 Nabben과 그의 팀이 말했다. 새로운 방법은 전자 현미경의 기능을 확장하여 이제 전자기장 진동과 시공간에서의 간섭 패턴을 이미지화할 수 있다.
나노 세계의 역학에 대한 새로운 통찰력
연구팀에 따르면 아토초 전자현미경은 빛과 물질의 상호작용의 미묘함을 탐구할 수 있는 새로운 기회를 제공한다. "우리의 실험은 시간과 공간 모두에서 복잡한 물질의 빛과 물질 사이의 동적 상호작용을 시각화하는 다용도의 민감한 방법으로 아토초(attosecond) 전자 현미경을 설정한다"고 연구원은 썼다.
그러나 아토초 전자 현미경은 예를 들어 광자 집적 회로 또는 메타 물질과 같은 새로운 개발을 가능하게 하는 데에도 도움이 될 수 있다.
(Nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-023-06074-9)
출처: Universität Konstanz
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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