Role of self-coherence in single-electron phase contrast imaging

In de wereld van het zeer kleine gebruiken wetenschappers krachtige microscopen om atomen te zien, de bouwstenen van alle materie. Om deze minuscule structuren zichtbaar te maken, schieten ze een bundel elektronen op een monster. Elektronen zijn niet alleen solide deeltjes; ze gedragen zich ook als golven. Wanneer deze golven door een materiaal passeren, kunnen ze buigen en overlappen, waardoor patronen van licht en donker ontstaan die de rangschikking van atomen onthullen. Al een eeuw begrijpen natuurkundigen dat voor het duidelijk vormen van deze patronen de elektronengolven in fase met elkaar moeten blijven, een eigenschap die bekendstaat als coherentie. Traditioneel geloofden wetenschappers dat als een elektron tegen een atoom botste en in dat proces wat van zijn energie verloor, deze fase zou worden doorbroken en het heldere beeld zou verdwijnen. Dit idee hield in dat alleen elektronen die terugkaatsten zonder energie te verliezen, de scherpe, hoogresolutiebeelden konden creëren die nodig zijn om de microscopische wereld te bestuderen.

Een team onderzoekers heeft nu deze lang gevestigde visie uitgedaagd door nauwkeurig te kijken naar wat er gebeurt wanneer elektronen wel energie verliezen. Ze ontdekten dat zelfs nadat een elektron een deel van zijn energie aan een monster heeft afgegeven, het nog steeds een helder beeld kan vormen, mits het energieverlies niet te groot is. De sleutel tot deze ontdekking ligt in een concept genaamd zelfcoherentie. In plaats van te vertrouwen op een groep elektronen die samenwerken, kan een enkel elektron met zichzelf interfereren. Wanneer een elektron energie verliest, verandert het kortstondig van aard als een golf, waardoor een kort, pulsachtig golfpakket ontstaat. Zolang dit pakket intact blijft, kan het elektron nog steeds een scherp beeld produceren van het atomaire rooster, waarbij het zich gedraagt alsof het een enkele, op zichzelf staande golf is. Deze bevinding verandert hoe wetenschappers de grenzen van het zien van atomen begrijpen, door te laten zien dat het vermogen om een beeld te vormen afhangt van de individuele reis van het elektron in plaats van alleen het collectieve gedrag van de bundel.

De onderzoekers, werkend met een materiaal genaamd hexagonaal boornitride, gebruikten een gespecialiseerde microscoop om foto's te maken terwijl ze elektronen die specifieize hoeveelheden energie hadden verloren, eruit filterden. Ze ontdekten dat naarmate het energieverlies toenam, de helderheid van de atomaire patronen verrassend hoog bleef. Echter, zodra het energieverlies een bepaalde drempel bereikte, rond de 200 tot 400 elektronvolt, begonnen de scherpe atomaire lijnen te vervagen en te verdwijnen. Het team ontwikkelde een model om dit gedrag te verklaren, waarbij zij suggereerden dat de interactie van het elektron met het materiaal een vluchtige gebeurtenis is die slechts een fractie van een seconde duurt. Tijdens dit korte moment breidt de golfvorm van het elektron zich uit tot een pakket. De omvang van dit pakket wordt bepaald door hoeveel energie het elektron heeft verloren. Als het pakket groot genoeg is om meerdere herhalende eenheden van de kristalstructuur te beslaan, kan het elektron het patroon nog steeds "zien" en een helder beeld creëren. Als het pakket te klein wordt, kan het elektron de noodzakelijke verbinding met het herhalende patroon niet langer onderhouden en vervaagt het beeld.

Dit nieuwe begrip scheidt het idee van het vermogen van een enkel elektron om met zichzelf te interfereren van het oudere idee van een hele bundel elektronen die in sync blijft. De onderzoekers toonden aan dat het verlies van beeldhelderheid niet wordt veroorzaakt door de gebruikelijke factoren, zoals de imperfecties van de microscooplenzen of de statistische willekeur van het tellen van individuele elektronen. In plaats daarvan wordt het veroorzaakt door een specifiek type ruis die ontstaat wanneer een elektron energie verliest. Dit energieverlies introduceert een faseverschuiving, een soort wiebel in de golf van het elektron, die uiteindelijk te groot wordt om een helder beeld in stand te houden. De studie identificeert een specifiek punt waar deze wiebel significant wordt, ongeveer gelijk aan één radiaan, een maat voor een hoek. Voorbij dit punt is het golfpakket van het elektron te gefragmenteerd om een coherent beeld van het kristalrooster te creëren.

Het werk biedt een duidelijke regel voor wanneer atomaire beelden scherp zullen blijven en wanneer ze zullen falen, gebaseerd op de energie die door het elektron is verloren. Het suggereert dat het vermogen van een elektron om een beeld te vormen wordt beheerst door een fundamentele limiet gerelateerd aan de onzekerheid tussen energie en tijd. Wanneer een elektron energie verliest, creëert het een golfpakket met een specifieke lengte. Als deze lengte langer is dan de afstand tussen de atomen in het kristal, blijft het beeld helder. Als het korter is, vervaagt het beeld. Deze regel is van toepassing zelfs op enkelvoudige elektronen, wat bewijst dat het fenomeen een intrinsieke eigenschap van het elektron zelf is, en niet alleen een resultaat van hoeveel elektronen er in de bundel zitten. De onderzoekers verifieerden hun model door hun berekeningen te vergelijken met werkelijke beelden gemaakt bij verschillende energieniveaus, waarbij ze een perfecte overeenkomst vonden tussen het voorspelde verlies van helderheid en wat zij in de microscoop observeerden.

Deze ontdekking biedt een nieuwe manier om beelden te interpreteren die zijn genomen met energiefilters, een instrument waarmee wetenschappers specifieke soorten interacties binnen een materiaal kunnen zien. Door te begrijpen dat een enkel elektron zijn coherentie kan behouden nadat het energie heeft verloren, kunnen wetenschappers de grenzen van wat zij kunnen zien verleggen. De studie beweert niet elk probleem in de elektronenmicroscopie op te lossen, maar stelt een nieuwe, experimenteel toetsbare limiet vast voor beeldvorming. Het laat zien dat het verdwijnen van atomair contrast bij hoge energieverliezen geen falen van de apparatuur is, maar een natuurlijk gevolg van hoe een enkel elektron zich gedraagt wanneer het met materie interageert. Dit inzicht verdiept het begrip van de kwantummechanica in een praktische setting, waarbij wordt onthuld dat de regels die het zeer kleine beheersen genuanceerder zijn dan voorheen gedacht, wat helder zicht mogelijk maakt zelfs wanneer het elektron een deel van zijn energie heeft opgegeven.