Opracowali oni specjalny uchwyt kriogeniczny chłodzony ciekłym helem, który rozwiązuje jeden z największych problemów współczesnej mikroskopii elektronowej. Dotychczas obserwacja materiałów kwantowych w stabilnych warunkach ultraniskich temperatur była niezwykle trudna, a często wręcz niemożliwa.
Kluczową innowacją jest osiągnięcie niezwykłej stabilności termicznej. Urządzenie utrzymuje próbki w temperaturze około 20 Kelwinów (czyli około -253 stopni Celsjusza) przez ponad 10 godzin ze stabilnością sięgającą zaledwie 0,002 Kelwina. To dziesięciokrotna poprawa w porównaniu z dotychczasowymi rozwiązaniami.
Taka precyzja przekłada się bezpośrednio na jakość obrazowania. Próbka dryfuje z prędkością zaledwie 0,37 angstrema na sekundę, co umożliwia uzyskiwanie obrazów w rozdzielczości atomowej. Co ciekawe, system zużywa przy tym mniej niż dwa litry helu na godzinę, co czyni go relatywnie ekonomicznym w eksploatacji.
Czytaj także: Sfotografowali elektron. Naukowcy stworzyli najszybszy mikroskop na świecie
Głównym wyzwaniem, które udało się pokonać, były wibracje i fluktuacje temperatury. Robert Hovden z University of Michigan porównywał wcześniejsze problemy do wlewania wody na gorącą lawę – powstawały nie tylko wibracje, ale też duże wahania temperatury.
Zespół opracował eleganckie rozwiązanie tego problemu poprzez zastosowanie specjalnego wymiennika ciepła wraz z elastycznymi rurami i gumowymi izolatorami, które skutecznie minimalizują wibracje. System wykorzystuje ciągły przepływ kriogenu z odsprzęganiem drgań, co pozwala na stabilne utrzymanie warunków przez wiele godzin.
Emily Rennich przyznaje, że prace nad urządzeniem wymagały pokonania licznych przeszkód technicznych. Początkowo brakowało odpowiednich umiejętności produkcyjnych i projektowych, ale dzięki metodzie prób i błędów oraz współpracy z mechanikami specjalizującymi się w technologiach kriogenicznych udało się stworzyć funkcjonalne rozwiązanie.
Możliwości badawcze, jakie wraz z tą technologią otwierają się przed naukowcami, są wprost imponujące. W ekstremalnie niskich temperaturach materiały zachowują się zupełnie inaczej – metale mogą stawać się izolatorami lub nadprzewodnikami, co otwiera drogę do projektowania kubitów i nowych typów pamięci komputerowych.
Zespół już wykorzystał nowy instrument do obserwacji przejścia fazowego fali gęstości ładunku poniżej 33 K w materiale 2H-NbSe2. Badania opublikowane w Proceedings of the National Academy of Sciences wskazują na potencjał wykorzystania w biologii strukturalnej i badaniach nad energią odnawialną.
Ismail El Baggari podkreśla, że możliwość obserwowania atomowej struktury podczas zmian materiału może być kluczem do zrozumienia procesów atomowych i nanoskalowych. Technologia jest już wdrażana w Michigan Center for Materials Characterization, gdzie przeprowadzono pierwsze eksperymenty.
Czytaj także: Chińczycy tworzą mikroskop oceaniczny. Tak zbadają najbardziej zagadkowe zjawiska
Nowy uchwyt kriogeniczny reprezentuje znaczący krok naprzód w mikroskopii elektronowej, odpowiadając na długotrwałe zapotrzebowanie na dostęp do ultraniskich temperatur w nowoczesnych mikroskopach z korekcją aberracji. Elastyczność w osiąganiu różnych temperatur pośrednich daje badaczom nowe możliwości charakterystyki materiałów biologicznych i kwantowych.
Choć technologia wciąż wymaga dopracowania i upowszechnienia, jej potencjał jest trudny do przecenienia. Może stać się kamieniem milowym w rozwoju komputerów kwantowych i nadprzewodników, choć na praktyczne zastosowania przyjdzie nam jeszcze pewnie poczekać.