Elektron mikroskobunun çözünürlüğü, lazer ışığı kullanarak elektron ışınlarını aynı anda üreten ve şekillendiren yeni bir teknikle artırılabilir.
Elektron mikroskobu ile mikron altı ile atomik arasında değişen uzunluk ölçeklerinde yapı görülebilir. Teknolojinin ilerlemesi, nanorobotların ve minik organizmaların görüntülerinin yanı sıra atomik dislokasyonların geçiş videoları gibi bazı çarpıcı görseller üretmiştir. Bununla birlikte, mikroskobik alemde keşfedilecek daha çok şey var çünkü ünlü fizikçi Richard Feynman’ın sözleriyle, “dipte bolca yer var.” Viyana Üniversitesi’nden Thomas Juffmann ve meslektaşları tarafından yapılan bir keşif, son derece küçük olana yeni bir bakış açısı sağlayabilir. Bilim insanları, kısa lazer darbeleri uygulayarak bir elektron ışınının şeklini değiştirdi ve onu çubuklar, hilaller ve hatta gülen bir yüz desenleriyle damgaladı.
Bu programlanabilir elektron ışını şekillendirmesi, ultra hızlı görüntüleme için elektron odağını iyileştirmek veya elektronlara zarar verebilecek biyolojik örneklerin zara görmesini azaltmak için kullanılabilir.
Elektron mikroskopisi alanı iyi durumda olsa da, hedeflenen çabalarla geliştirilebilir. En büyük üç sorun elektron mikroskoplarının çok yavaş, çok tehlikeli ve çok bulanık olmasıdır. Bulanıklık, elektron merceklerindeki kusurların yol açtığı sapmaların bir sonucudur. Sapmaların düzeltilmesinde önemli ilerlemeler kaydedilmiş olmasına rağmen, mercek kusurları hala bir zorluk teşkil etmektedir. Ayrıca, mikroskobun yapısıyla etkileşime giren elektronların neden olduğu kuantum tutarsızlığı da uzamsal çözünürlüğü sınırlıyor olabilir. Son tarihin önemi, elektronların biyolojik bir örneğe verebileceği zararla bağlantılıdır.
Biyomoleküllerin elektron mikroskobu kullanılarak görselleştirilebildiği doğrudur ve bu yetenek 2018 Nobel Kimya Ödülü ile tanınmıştır. Bununla birlikte, elektron mikroskobu kullanarak canlı, işlevsel organizmaları görselleştirmek mümkün olmamıştır çünkü mevcut elektronun sebep olduğu zarar seviyelerine dayanamazlar. Son olarak, yavaşlık elektron mikroskoplarının attosaniye ölçekli atomik eylemi gözlemleyememesinden kaynaklanmaktadır. Femtosaniye elektron mikroskopisi bir süredir kullanılıyor olsa da, atomik ölçekte uzamsal çözünürlük veya atomik ölçekte zaman çözünürlüğü elde etmek hala mümkün değildir.
Elektron mikroskobu alanının bu engelleri aşmak için yaratıcı çözümlere ihtiyacı var. Juffmann ve meslektaşlarının çalışması, potansiyel olarak devrimci bir araştırma çizgisinin harika bir örneğidir.
Yaklaşımlarında iki iyi bilinen elektron ışını teknolojisini harmanlıyorlar. İlki 2006 yılında gösterilmiştir ve femtosaniye lazer darbeleri kullanılarak metal nanotiplerden elektronların çıkarılmasını içerir. İkincisi ise serbest elektronların kuantum durumunu manipüle etmek için lazer ışığının kullanılmasını içeriyor ki bu da ilk olarak 2001 yılında gösterilmişti. Araştırmacılar ayrıca lazer ışığının üzerine bir desen yazdıkları bir teknik de kullanıyorlar.
Juffmann grubu deneylerinde ilk olarak metal bir uca bir lazer atımı gönderiyor ve atımın elektrik alanı doğrudan noktadan bir elektron patlamasının dışarı atılmasına neden oluyor. Araştırmacılar daha sonra serbest elektronları çaprazlayarak elektron demetini değiştirmek için başka bir lazer darbesini dikkatlice zamanlıyorlar.
Tek bir elektron, manipülasyonu üretmek için uyarılmış Compton saçılması olarak bilinen bir teknikle lazer ışığındaki iki fotonla etkileşime girer. Kapitza ve Dirac’ın ilk olarak 1933 yılında öngördüğü bu etkileşimle elektronun fazı değişir ve bu da elektronun nasıl hareket ettiğini etkiler.
Kapitza-Dirac etkisi foton sayısıyla orantılı olduğu için atımın belirli bir bölümündeki ışığın gücü oradaki elektronları daha fazla etkiler. Bu orantı Juffmann ve diğerleri tarafından elektron demetini şekillendirmek için kullanılıyor. İkinci lazer darbesinin rotasını bir uzaysal ışık modülatörü aracılığıyla yönlendiriyorlar. Modülatör, elektronların davranışını önceden belirlenmiş, programlanabilir bir şekilde kontrol eden yoğunluk değişiklikleri üretir.
Bilim insanları, gülen bir yüz ve haç gibi karmaşık desenler oluşturmak için elektron ışınında yüzlerce “pikseli” nasıl manipüle edebileceklerini gösteriyor. Astigmatizm, elektron mikroskobunda sürekli düzeltilmesi gereken sapmalardan biridir ve çapraz desen bunu yapmak için çok önemlidir.
Bu yeni teknoloji mevcut olduğuna göre artık hangi konular araştırılabilir? Bir nesnenin birçok pozundan elde edilen verileri değerlendirerek görüntü oluşturan elektron ptikografisini denemek ilgi çekici olabilir. Bu yöntem bir merceğe ihtiyaç duymasa da, gelen elektron ışını üzerinde yeni şekillendirme yönteminin sağlayabileceği belirli bir kontrol seviyesine ihtiyaç duyar. Elektron ptikografinin ana faydası olan görüntü çözünürlüğü artırılabilir.
Daha önce de belirtildiği gibi, düzeltilmemiş lens sapmaları ve mikroskoptaki çevre malzemelerle etkileşimlerden kaynaklanan bozunma, şu anda çözünürlüğü sınırlamaktadır. Bu sorunların her ikisi de elektron hızının lazer ışığı ile kontrol edilmesiyle önlenebilir.
Yeni teknolojinin yakın zamanda gösterilen elektron hayalet görüntüleme kullanımları da aynı derecede ilgi çekicidir [5]. Hayalet görüntüleme, önceden belirlenmiş yapısı daha sonra tespit edilen elektronlardan bir görüntü oluşturmak için kullanılan bir dizi önceden belirlenmiş elektron modeliyle hedef öğenin aydınlatılmasını içerir. Olası fayda, hedef nesneyi daha az elektrona maruz bırakan giriş modellerini seçebilme yeteneğidir.
Juffmann ve meslektaşlarının lazer manipülasyonu sayesinde ilk desenler, önceki elektron hayalet görüntüleme yöntemlerine kıyasla daha iyi bir uzamsal çözünürlükle üretilebilmektedir. Yüksek çözünürlüklü hayalet görüntüleme, biyolojik hücreleri korumak için biyolojik nesneyi grafen katmanlarla kaplamak gibi yeni tekniklerle eşleştirilirse, elektron mikroskobu altında canlı dokuları gözlemleyebiliriz.