Licht, microgolven en elektronen verbinden voor precieze kalibratie

Bij EPFL is een nieuwe techniek ontwikkeld om elektronen‑spectrometers met uitzonderlijke nauwkeurigheid te kalibreren door frequenties uit het microgolf‑, optisch‑ en vrije‑elektronendomein te koppelen.

Frequentie is een van de meest precies meetbare grootheden in de wetenschap. Dankzij optische frequentiekammen (tools die een reeks gelijkmatig gespreide, uiterst precieze frequenties genereren) is de koppeling mogelijk van frequenties over het elektromagnetische spectrum heen — van microgolven tot optisch licht.

De techniek van elektronenenergieverlies­spectroscopie (EELS) biedt al uitstekende ruimtelijke resolutie, maar de spectrale resolutie – de precisie waarmee energieverlies kan worden gemeten – bleef achter bij optische methoden. De gebruikelijke kalibratiemethoden voor EELS baseren zich op atomaire energieniveaus, wat zowel de nauwkeurigheid als het bereik beperkt. Voor toepassingen die hoge spectrale precisie vereisen — zoals nanomaterialenanalyse of vibratiespectroscopie — vormt dit een belemmering.

Naar vrije elektronen

EPFL‑onderzoekers hebben daarom een nieuwe techniek ontwikkeld die de precisie van optische frequentiekammen uitbreidt naar vrije elektronen. De kern van de methode is een silicium‑nitride (Si₃N₄) microresonator‑chip geïntegreerd in een transmissie‑elektronenmicroscoop. Een continue laser­bundel werd op de chip gericht. Deze laser werd vergrendeld (‘locked’) op een specifieke frequentie met behulp van een optische frequentiekam als ‘liniaal’. Terwijl vrije elektronen langs de chip passeerden, interacteerden ze met het elektromagnetische veld van de laser en namen trillingsgewijs kleine hoeveelheden energie op in gekwantiseerde stappen. Die interactie wijzigde het elektronenspectrum in een kam‑achtig patroon, waarbij elke piek correspondeerde met een veelvoud van de fotonenergie van de laser, die op haar beurt nauwkeurig was vastgelegd met de frequentiekam.

Door het kam‑achtige elektronenspectrum te analyseren, konden de onderzoekers de elektronen­spectrometer kalibreren met een opmerkelijke nauwkeurigheid. Ze vergeleken verschillende kalibratieruns en ontdekten dat hun methode systematische fouten in de nominale dispersie van de spectrometer kon opsporen en corrigeren met hoge precisie. De nauwkeurigheid bleek ongeveer 20 keer groter dan bij conventionele methoden en bleef stabiel over verschillende laserfrequenties. Tevens bleek dat alleen het elektronenspectrum gebruikt kan worden om de optische frequentie van de laser te berekenen — in essentie liet dit vrije elektronen licht meten.

Ultrahoge precisie

De techniek opent volgens de Zwitsers de weg naar ultrahoge precisie in elektronen­spectroscopie. Het kan onze mogelijkheden verbeteren om vibratie‑ en elektronische eigenschappen van materialen te bestuderen, chemische bindingen te analyseren of zelfs kwantumeffecten op nanoschaal te onderzoeken. Omdat gebruik wordt gemaakt van standaard transmissie‑elektronen­microscopen in continu‑golf modus, is de methode breed toepasbaar. Op langere termijn kan dit leiden tot een nieuwe standaard voor het definiëren van energie­veranderingen in elektronen­spectroscopie en zelfs tot elektron‑gebaseerde frequentiekammen.