EPFL araştırmacıları, mikrodalga, optik ve serbest elektron frekanslarını birbirine bağlayarak elektron spektrometrelerini son derece hassas bir şekilde kalibre etmek için bir yöntem geliştirdiler.
Frekans bilimde en hassas şekilde ölçülebilen niceliklerden biridir. Bir cetvelin dişleri gibi bir dizi eşit aralıklı, hassas frekans üreten araçlar olan optik frekans tarakları sayesinde araştırmacılar, mikrodalgalardan optik ışığa kadar elektromanyetik spektrumdaki frekansları birbirine bağlayarak zaman işleyişinde, spektroskopide ve navigasyonda çığır açabiliyor.
Elektron enerji kaybı spektroskopisi (EELS), malzemelerin atomik düzeyde yapısını ve özelliklerini araştırmak için kullanılan güçlü bir araçtır. Elektronların bir numuneden geçerken nasıl enerji kaybettiğini ölçerek çalışır. Ancak EELS mükemmel uzaysal çözünürlük sağlasa da, spektral çözünürlüğü, yani enerjiyi kesin olarak ölçebilme yeteneği, optik yöntemlerin gerisinde kalmıştır.
EELS için mevcut kalibrasyon yöntemleri, hem doğruluğu hem de aralığı sınırlayan atomik enerji seviyelerine dayanmaktadır. Nano ölçekli malzeme analizi veya titreşim spektroskopisi gibi yüksek spektral hassasiyet gerektiren uygulamalar için bu durum bir zorluk teşkil etmektedir.
Bu sınırlamanın üstesinden gelmek için Profesör Tobias J. Kippenberg, Dr. Thomas LaGrange ve Profesör Fabrizio Carbone, optik frekans taraklarının hassasiyetini serbest elektronlar alanına getiren yeni bir teknik geliştirdiler. Çalışma, şu tarihte yayımlandı: Doğa İletişimitransmisyon elektron mikroskobu içindeki bir fotonik çip kullanılarak mikrodalga, optik ve serbest elektron alanları arasında frekans ölçümleri arasında köprü kurmanın mümkün olduğunu göstermektedir.
Yöntemin merkezinde bir silikon nitrür (Si3N4) transmisyon elektron mikroskobuna entegre edilmiş mikrorezonatör çipi. Araştırmacılar çipin üzerine sürekli dalga lazeri tuttular. Bu lazer, bir “cetvel” olarak bir optik frekans tarağı kullanılarak belirli bir frekansa kilitlendi.
Serbest elektronlar çipin yanından geçerken lazerin elektromanyetik alanıyla etkileşime girdiler ve nicemlenmiş adımlarla çok küçük miktarlarda enerji topladılar. Bu etkileşim, elektron spektrumunu tarak benzeri bir yapıya dönüştürdü; burada her bir tepe noktası, frekans tarağı kullanılarak tam olarak tanımlanmış olan lazerin foton enerjisinin bir katına karşılık geliyordu.
Ekip, tarak benzeri elektron spektrumunu analiz ederek elektron spektrometresini dikkate değer bir doğrulukla kalibre edebildi. Farklı kalibrasyon çalışmalarını karşılaştırdılar ve yöntemlerinin spektrometrenin nominal dağılımındaki sistematik hataları tespit edebildiğini ve bunları yüksek hassasiyetle düzeltebildiğini buldular. Bu yeni kalibrasyon yaklaşımı, geleneksel yöntemlere göre 20 kat daha doğrudur ve birden fazla lazer frekansında kararlı kalmıştır.
Ayrıca, lazerin optik frekansını hesaplamak için elektron spektrumunun tek başına kullanılabileceğini, esasen serbest elektronların ışığı ölçmesine izin verdiğini gösterdiler.
Teknik, ultra yüksek hassasiyetli elektron spektroskopisinin kapısını açıyor. Malzemelerin titreşimsel ve elektronik özelliklerini inceleme, kimyasal bağları analiz etme ve hatta nano ölçekte kuantum etkilerini keşfetme yeteneğimizi geliştirebilir. Sürekli dalga modunda ortak transmisyon elektron mikroskoplarını kullandığından, yöntem yaygın olarak uygulanabilir. Gelecekte bu çalışma, elektron spektroskopisindeki enerji değişimlerini tanımlamak için yeni bir standarda yol açabilir ve hatta elektron bazlı frekans taraklarını mümkün kılabilir.
