Een snellere microscoop

Atomen zijn de fundamentele bouwstenen van materie. Tegenwoordig is het mogelijk om atomen individueel te visualiseren met behulp van elektronenmicroscopen. Deze instrumenten gebruiken een techniek die spectroscopie heet, om niet alleen individuele atomen te identificeren, maar ook hun collectieve gedrag te observeren en eigenschappen te bepalen van het materiaal dat ze vormen – bijvoorbeeld of het een supergeleidend metaal of een isolator is.

Het project breidt het arsenaal van de elektronenmicroscoop uit met nieuwe technologie die gebruikmaakt van licht met een microgolfgolflengte. Dit maakt ultrakorte belichtingstijden mogelijk, in de orde van enkele tientallen femtoseconden – een femtoseconde is een miljardste van een miljoenste van een seconde. Deze ultrakorte belichtingstijden kunnen worden gebruikt om extreem snelle processen in materialen te bestuderen, met behoud van de geavanceerde precisie van elektronenmicroscopische beeldvorming en spectroscopie.

Het project wordt uitgevoerd door een breed samenwerkingsverband. Het doel is om de gepatenteerde technologie te implementeren en te commercialiseren in elektronenmicroscopen van ThermoFisher Scientific, met behulp van de elektronica ontwikkeld door TU/e ​​spin-off Dr. X Works B.V. Het team van Van Heumen aan de Universiteit van Amsterdam zal de nieuwe microscoop vervolgens gebruiken om twee belangrijke wetenschappelijke problemen aan te pakken en de mogelijkheden van het nieuwe instrument te demonstreren.

Twee openstaande vraagstukken

Door microgolfholtes in de transmissie-elektronenmicroscoop te introduceren, kan de elektronenbundel ervan worden gepulst, wat resulteert in elektronenbundels met een duur van slechts 10 femtoseconden. Dit stelt de onderzoekers uiteindelijk in staat om de ruimtelijke beweging van elektronen en geïoniseerde atomen in materialen op die tijdschalen te bestuderen. De stop-motionfilmpjes die zo ontstaan zullen worden gebruikt voor de visualisatie van het schakelproces in nieuwe, op oxide gebaseerde memristors: basisbouwstenen voor energiezuinige geheugens die kunnen helpen om het energieverbruik in grootschalige computerfaciliteiten te verminderen. In normale transistoren vindt het schakelen tussen aan en uit, of 1 en 0, plaats door het aanleggen van een spanning die constant moet blijven. Memristors kunnen worden geschakeld met een enkele spanningspuls, en blijven daarna in hun nieuwe toestand. Door de schakelprocessen in deze memristors in beeld te brengen, hoopt het team de oorzaak te ontrafelen van het doorslaggedrag dat momenteel het aantal schakelcycli beperkt. Het oplossen van dit probleem kan bijdragen aan de verdere ontwikkeling van deze technologie.

Het tweede openstaande wetenschappelijke vraagstuk betreft een fundamentele vraag naar de oorsprong van de elektronendynamiek in hogetemperatuursupergeleiders – materialen die vrijwel weerstandsloos elektriciteit kunnen geleiden. Pogingen om de oorsprong te begrijpen van de relatief hoge temperatuur waaronder zogenaamde cupraatsupergeleiders hun weerstand verliezen, hebben zich de afgelopen jaren gericht op het begrijpen van de eigenschappen van de metallische toestand bij hogere temperaturen. Hoewel het al een mysterie is waarom het materiaal bij lage temperaturen alle weerstand verliest, blijkt ook de bron van de weerstand bij hoge temperaturen even mysterieus te zijn. De conventionele theorie die de beweging van elektronen beschrijft, doet voorspellingen over de temperatuurafhankelijkheid van de weerstand, maar die resultaten lijken niet van toepassing te zijn op hogetemperatuursupergeleiders. De nieuwe technologie is heel geschikt om al deze mysteries op te lossen.

Open Technologieprogramma

Het NWO Open Technologieprogramma financiert toepassingsgericht technisch-wetenschappelijk onderzoek zonder beperkingen en dat niet wordt gehinderd door disciplinaire grenzen. Het programma biedt bedrijven en andere organisaties een laagdrempelige manier om deel te nemen aan wetenschappelijk onderzoek dat gericht is op maatschappelijke en/of wetenschappelijke impact.