Беглый взгляд внутрь атома

4 ноября 2016 г., 12:35

Электронный микроскоп не может просто сделать фотографию, как мобильный телефон. Способность электронного микроскопа отобразить структуру – и насколько успешна будет эта визуализация – зависит от того, насколько хорошо вы понимаете структуру. Часто необходимы сложные физические расчеты, чтобы в полной мере использовать потенциал электронной микроскопии. Международная исследовательская группа под руководством проф. Петера Шаттшнайдера (Peter Schattschneider) из Венского технического университета (TU) сделала попытку проанализировать возможности, предоставляемые EFTEM – энергетически фильтруемой просвечивающей электронной микроскопией. Команда численно продемонстрировала, что при определенных условиях, можно получить четкие изображения орбиталей каждого отдельного электрона в атоме. Поэтому электронная микроскопия может быть использована, чтобы проникнуть вниз к субатомному уровню – эксперименты в этой области уже запланированы. Проведенное исследование в настоящее время опубликовано в физическом журнале Physical Review Letters.

Мы часто думаем об атомных электронах, как о маленьких сферах, которые вращаются вокруг ядра атома, как крошечные планеты вокруг Солнца. Однако такая модель не отражает действительности. Законы квантовой физики устанавливают, что положение электрона не может быть четко определено в любой данный момент времени. Электрон эффективно размазывается по всей области, близкой к ядру. Область, которая может содержать электрон, называется орбиталью. Хотя было возможно рассчитать форму этих орбиталей, усилия по изображению их с помощью электронных микроскопов до сих пор не увенчались успехом.

«Мы подсчитали, как образом мы могли бы иметь возможность визуализации орбиталей с помощью электронного микроскопа, - говорит Стефан Леффлер (Stefan Löffler) из университетского Центра обслуживания для просвечивающей электронной микроскопии (USTEM) в TU. - Графен, который состоит только из одного единственного слоя атомов углерода, является отличным кандидатом для выполнения этой задачи. Электронный луч способен легко проходить через графен практически без упругого рассеяния. С помощью этих электронов может быть создано изображение структуры графена».

Исследователи были осведомлены о принципе энергетически фильтруемой просвечивающей электронной микроскопии. EFTEM может быть использована для создания вполне конкретных визуализаций определенных видов атомов, в то время как другие блокируются. По этой причине она часто используется в настоящее время для анализа химического состава микроскопических образцов. «Электроны, проходящие через образец, могут возбуждать атомы образца, - объясняет Стефан Леффлер. - Это затраты на энергию, так что когда электроны вылетают из образца они медленнее, чем когда они падают на него. Эти изменения скорости и энергии характерны для некоторых возбужденных электронных орбиталей в образце».

После того как электроны прошли через образец, магнитное поле сортирует электроны по энергиям. «Фильтр используется, чтобы блокировать электроны, которые не представляют интереса: записанное изображение содержит только те электроны, которые несут необходимую информацию».

Команда использовала моделирование, чтобы исследовать, как этот метод может помочь достичь поворотного момента в изучении электронных орбиталей. В процессе этого они обнаружили кое-что, что на самом деле облегчило визуализацию отдельных орбиталей: «Симметрия графена должна быть нарушена, - говорит Стефан. - Если, например, есть дырка в структуре графена, то атомы прямо рядом с этой дыркой имеют немного другую электронную структуру, что делает возможным изображение орбиталей этих атомов. То же самое может произойти, если атом азота, а не атом углерода, находится где-то в графене. При этом важно сосредоточиться на электронах, находящихся в узком и точном энергетическом окне, минимизировать некоторые аберрации электромагнитного объектива и, наконец, но не в последнюю очередь, использовать электронный микроскоп с высоким разрешением». Все эти проблемы могут быть преодолены, как показывают расчеты исследовательской группы.

В исследованиях также принимали участие Берлинский университет Гумбольта, Университет Ульма и Университет Макмастера в Канаде.

Беглый взгляд внутрь атома