کل دهی به پرتوی الکترون ها در چشمه های الکترونی ابرسرد


پژوهشگران در استرالیا چشمه نوینی از الکترون های سرد ساخته‌اند که می تواند برای تصویربرداری از ساختارهای بسیار ریز در مقیاس طول اتمی مفید باشد. چشمه که از اتم های ابرسرد استفاده می کند، می‌تواند پالس‌های الکترونی قوی و همدوس را با شکل های فضایی خاص –همانند علامت مرد خفاشی (Batman) در تصویر بالا- ارسال کند. بر پایه گزارش این گروه، چنین پالس‌هایی می‌توانند در تصویربرداری پراشی از مولکول‌های زیستی، ویروس‌ها و نانوساختارها به کار رود.

رابرت اسکولتن (Robert Scholten) و همکارانش در دانشگاه ملبورن، ابری از یک میلیارد اتم روبیدیم را با لیزر تا چند میلیونیوم درجه بالای صفر مطلق سرد می‌کنند. سپس دو پالس لیزر به اتم ها شلیک می‌شود. پالس اول اتم‌ها را به یک تراز برانگیخته الکترونی می‌فرستد. پالس دوم دقیقا انرژی کافی برای رها سازی الکترون‌ها را فراهم می کند و پالسی از الکترون های سرد با دمای 10 کلوین درست می‌کند. اگر به پالس اول با عبور نوز از یک مدولاتور فضایی شکل خاصی داده شود، می‌توان پالس‌های الکترونی با شکل‌های پیچیده و دلخواه ایجاد کرد.

این پالس‌های الکترونی با استفاده از میدان الکتریکی تا 1 کیلوالکترون ولت شتاب می‌گیرند و پیش از آشکارسازی، 21 سانتی‌متر حرکت می‌کنند. بر خلاف پالس‌های چشمه الکترونی معمول که به خاطر حرکت تصادفی الکترون‌ها به سرعت مبهم می شوند؛ این پالس‌ها تا هنگام آشکارسازی شکل‌شان را حفظ می کنند.

همدوسی بالای فضایی

چون پالس‌ الکترون شکل خودش را حفظ می کند، درجه «همدوسی فضایی» بالایی در راستای عمود بر مسیر حرکتشان دارند. همین امر آن‌ها را برای تصویربرداری پراشی، ایده ال می کند. به گفته اسکولتن، طول همدوسی عرضی در لحظه تولید حدود 10 نانومتر است. این فاصله برای تصویربرداری پراشی زیست مولکول‌های بزرگ و ویروس‌های کوچک، کافی است.

توانایی شکل دادن به پالس‌ها به محققان کمک می‌کند تا به شکلی موفق بر پدیده «گسترش کولن» فایق آیند که مانعی بنیادی در ایجاد پالس‌های الکترونی درخشان است. به این دلیل که الکترون ها بار الکتریکی یکسانی دارند، ذرات یکدیگر را می‌رانند و این باعث می‌شود تا همین‌طور که پالس حرکت می‌کند، گسترش یابد و شدت آن کم بشود. هر چند، اسکولتن می گوید اگر پالس با شکلی خاص- شدت بیضوی یکنواخت- ایجاد شود، می توان با استفاده از اپتیک استاندارد، الکترون‌ها را دوباره کانونی کرد و اثرات گسترش کولنی را جبران کرد.

توسعه گام به گام

اسکولتن سریعا اشاره می‌کند که ایده اصلی چگونگی ساخت پالس‌های شکل‌دار اتم‌های سرد، از سوی ادگار وردنبرت(Edgar Vredenbregt)، جام لویتن(Jom Luiten) و همکارانشان در دانشگاه فنی آیندهوون در هلند ارایه شده است. پژوهشگران هلندی علاوه بر توصیف نظری، بر روی چشمه‌های الکترونی کار کرده اند. اسکولتن می گوید: «ما همکاری بسیار نزدیکی با آن‌هاداریم. آن‌ها اکنون در حالت تطبیق روش هایی هستند که ما ساخته ایم و ما نمونه‌های مهندسی سامانه خود را برای آن ها می فرستیم. این کاری گام به گام است- ما نیز بر اساس تجربه و پیشنهاد‌های آن ها حرکت می کنیم.»

توماس کیلیان(Thomas Killian) از دانشگاه رایس- تگزاس می گوید:«این کار جدید را باید به عنوان چشمه‌ای بالقوه از الکترون ها دید که در عمل چیزی شبیه به میکروسکوپ پویشی الکترون ها است». او این کار را «جهشی بلند رو به جلو» در توسعه چشمه‌های دما-پایین و طول‌های همدوسی عرضی بلند برای الکترون‌ها می خواند. او می افزاید:«من امیدوارم که این کار، توسعه ابزارهای عملی را بر اساس این فناوری شتاب بخشد.»