Рекордный микроскоп

В электронном микроскопе изображение создается отраженным или прошедшим через объект пучком электронов. Этот прибор давно стал неотъемлемым инструментом научных лабораторий. По пространственному разрешению он сильно превосходит световой микроскоп и позволяет выявлять детали изучаемых объектов с атомарной точностью. Однако временное разрешение электронного микроскопа пока ограничено фемтосекундами, то есть миллионными долями миллиардной доли секунды.

Многие природные и искусственные материалы испытывают постоянные и очень быстрые структурные изменения. Зачастую они связаны с взаимодействиями между светом и веществом. Так происходит в оптоэлектронных приборах, лазерах, светодиодах, солнечных батареях и пр. В них электроны подвергаются действию света на его частоте, а цикл светового колебания совершается на временах порядка аттосекунд. Это тысячная часть фемтосекунды.

Увидеть такие экстремально быстрые процессы до сих пор не мог никто. Недавно это удалось исследователям из Университет Констанца, под руководством профессора Петера Баума (Peter Baum). Ученые модифицировали просвечивающий электронный микроскоп так, что теперь он с аттосекундным разрешением фиксирует взаимодействие между светом и веществом в метаматериалах и материалах для нанофотоники.

Физики модулируют поток зондирующих электронов излучением непрерывного лазера и таким образом преобразуют его в последовательность ультракоротких электронных импульсов. Другой лазерный импульс вызывает быстрые изменения в объекте, которые влияют на прохождение через него зондирующих электронов. В результате процесс воздействия света на вещество можно промерить с высочайшим разрешением.

Ученые продемонстрировали самые разные применения прибора. Они провели эксперименты на наноостриях, диэлектрических резонаторах и наноантеннах из метаматериалов. (Так называют искусственные материалы, свойства которых, в данном случае электромагнитные, обусловлены усредненными резонансными свойствами составляющих их элементов.)

К примеру, немецким физикам удалось пронаблюдать возникновение электромагнитных поверхностных волн или определить характерные времена задержки между различными видами излучений наноантенн. А об электромагнитных процессах в волноводных материалах исследователи сняли целый фильм. Приложения нового микроскопа далеко не ограничены фундаментальными исследованиями. Результаты работы удостоились публикации в журнале Nature.