Para peneliti telah mengembangkan metode untuk mengkalibrasi spektrometer elektron dengan akurasi ekstrim dengan menghubungkan frekuensi gelombang mikro, optik, dan elektron bebas.
Frekuensi adalah salah satu besaran yang paling tepat diukur dalam sains. Berkat sisir frekuensi optik, alat yang menghasilkan serangkaian frekuensi dengan jarak yang sama dan tepat seperti gigi penggaris, para peneliti dapat menghubungkan frekuensi di seluruh spektrum elektromagnetik, dari gelombang mikro hingga cahaya optik, sehingga memungkinkan terobosan dalam ketepatan waktu, spektroskopi, dan navigasi..
Spektroskopi kehilangan energi elektron (EELS) adalah alat canggih yang digunakan untuk menyelidiki struktur dan sifat material pada tingkat atom. Ia bekerja dengan mengukur bagaimana elektron kehilangan energi saat melewati sampel. Namun meskipun EELS memberikan resolusi spasial yang sangat baik, resolusi spektralnya, kemampuannya untuk mengukur energi secara tepat, masih tertinggal dibandingkan metode optik.
Metode kalibrasi EELS saat ini bergantung pada tingkat energi atom, yang membatasi akurasi dan jangkauan. Untuk aplikasi yang memerlukan presisi spektral tinggi, seperti analisis material skala nano atau spektroskopi getaran, hal ini menimbulkan tantangan.
Untuk mengatasi keterbatasan ini, Profesor Tobias J. Kippenberg, Dr Thomas LaGrange dan Profesor Fabrizio Carbone telah mengembangkan teknik baru yang membawa ketepatan sisir frekuensi optik ke ranah elektron bebas. Karya tersebut, diterbitkan di Komunikasi Alammenunjukkan bahwa dimungkinkan untuk menjembatani pengukuran frekuensi melintasi domain gelombang mikro, optik, dan elektron bebas menggunakan chip fotonik di dalam mikroskop elektron transmisi.
Inti dari metode ini adalah chip mikroresonator silikon nitrida (Si3N4), yang diintegrasikan ke dalam mikroskop elektron transmisi. Para peneliti menyorotkan laser gelombang kontinu ke chip tersebut. Laser ini dikunci pada frekuensi tertentu menggunakan sisir frekuensi optik sebagai “penggaris”.
Ketika elektron bebas lewat di dekat chip, mereka berinteraksi dengan medan elektromagnetik laser, mengambil sejumlah kecil energi dalam langkah-langkah terkuantisasi. Interaksi ini memodifikasi spektrum elektron menjadi struktur seperti sisir, di mana setiap puncak berhubungan dengan kelipatan energi foton laser, yang telah ditentukan secara tepat menggunakan sisir frekuensi.
Dengan menganalisis spektrum elektron seperti sisir, tim mampu mengkalibrasi spektrometer elektron dengan akurasi luar biasa. Mereka membandingkan proses kalibrasi yang berbeda dan menemukan bahwa metode mereka dapat mendeteksi kesalahan sistematis dalam dispersi nominal spektrometer dan memperbaikinya dengan presisi tinggi. Pendekatan kalibrasi baru ini 20 kali lebih akurat dibandingkan metode konvensional, dan tetap stabil di berbagai frekuensi laser.
Mereka juga menunjukkan bahwa spektrum elektron saja dapat digunakan untuk menghitung frekuensi optik laser, sehingga elektron bebas dapat mengukur cahaya.
Teknik ini membuka pintu bagi spektroskopi elektron dengan presisi sangat tinggi. Hal ini dapat meningkatkan kemampuan kita untuk mempelajari sifat getaran dan elektronik suatu material, menganalisis ikatan kimia, atau bahkan mengeksplorasi efek kuantum pada skala nano. Karena menggunakan mikroskop elektron transmisi umum dalam mode gelombang kontinu, metode ini dapat diterapkan secara luas. Di masa depan, penelitian ini dapat menghasilkan standar baru untuk mendefinisikan perubahan energi dalam spektroskopi elektron dan bahkan memungkinkan sisir frekuensi berbasis elektron.
Kontributor lainnya
Pusat Sains dan Teknik Kuantum EPFL
Referensi
Yujia Yang, Paolo Cattaneo, Arslan S. Raja, Bruce Weaver, Rui Ning Wang, Alexei Sapozhnik, Fabrizio Carbone, Thomas LaGrange, Tobias J. Kippenberg. Menyatukan metrologi frekuensi di domain gelombang mikro, optik, dan elektron bebas. Komunikasi Alam 24 September 2025. DOI: 10.1038/s41467-025-62808-5
