Princip holografie objevil v roce 1948 maďarský vědec Dennis Gabor, když pracoval na vylepšení vlastností elektronového mikroskopu. Na experimentální ověření objevu se ale muselo počkat až do počátku 60. let minulého století, kdy byl vynalezen laser.
Fotony místo elektronů
Na základě úsilí Emmetta Leithe a Jurise Upatniekse z Michigenské univerzity vznikl v roce 1964 první holografický záznam. Oproti Gaborem zamýšleným elektronům byl první hologram vytvořen pomocí paprsků světla. To ale nijak nebránilo tomu, aby Gabor dostal v roce 1971 Nobelovu cenu.
Původní Gaborova myšlenka "elektronových" hologramů nezapadla. Poměrně nedávno ji znovu k životu přivedli vědci z německého Institutu Maxe Borna společně s odborníky z holandského projektu FELICE (Free Electron Laser for Intracavity Experiments), kteří experimentálně prokázali, že k tvorbě hologramů je rovněž možné použít i elektrony.
Holografický princip
Klasická holografie využívá koherentní světlo, což není nic jiného než svazek fotonů, jejichž vlny mají stejnou frekvenci a jsou ve stejné fázi. Světelný paprsek se při ní rozdělí na dvě části, na tzv. referenční svazek, který dopadá přímo na detektor (fotografickou desku), a svazek osvětlovací neboli objektový, jenž se odráží od pozorovaného předmětu a poté směřuje rovněž k detektoru.
Objektový svazek nese informaci jak o intenzitě světla, tak i o jeho fázi, což umožňuje zachycení trojrozměrné podstaty předmětu v hologramu. Interferencí obou těchto paprsků na fotografickém filmu pak vzniká výsledný plošný (dvojrozměrný) obraz, který se jeví, jakoby by měl tři dimenze.
Elektronová holografie
V době, kdy Gabor přemýšlel o svém hologramu, neexistoval žádný zdroj koherentních elektronů potřebných k jeho vytvoření. Dnešní věda s něčím podobným ale už problém nemá, neboť koherentní elektrony je možné vyrobit v laboratořích pomocí intenzívních ultrakrátkých laserových pulzů, jejichž působením lze elektrony z atomů a molekul poměrně snadno vytrhnout.
A právě touto cestou se vydali holandští a němečtí vědci při konstrukci elektronových hologramů. Jako zdroj koherentních elektronů použili atomy xenonu.
"V našem experimentu silná laserová pole vytrhávají elektrony z xenonových atomů, urychlí je a pak je otočí zpět. Jakoby někdo vzal prak a vystřelil jím elektron zpátky na iont, ze kterého vylétl. Laser tak vytváří dokonalý zdroj elektronů pro holografické pokusy," vysvětluje Marc Vrakking, který se na uvedeném výzkumu podílel.
|
...jakoby někdo vzal prak a vystřelil jím elektron zpátky na iont, ze kterého vylétl... |
Část elektronů se znovu se vzniklým iontem spojí, v důsledku čehož ve velice krátké době (v řádech attosekund, 10-18 s) dojde k vyzáření tvrdého ultrafialového světla (EUV, extrémního čili hlubokého UV záření). Většina elektronů však prochází kolem iontu, čímž de fakto vzniká referenční svazek. Zbytek elektronů se od iontu naopak odrazí a vytvoří objektovou vlnu.
Máme tedy jak referenční, tak i objektový svazek elektronů, a to ke vzniku hologramu bohatě postačuje. Vše ostatní zařídí interference obou svazků v detektoru. Výsledkem pak je holografický obraz atomu vytvořený jeho vlastními elektrony.
Jak z hologramu vydolovat maximum informace?
Holografické obrazy atomů by jednou mohly vědcům umožnit detailní studium atomů a molekul, zejména jejich elektronových obalů, a sledovat tak průběhy jednotlivých chemických procesů. Možné budoucí využití výsledků právě skončeného experimentu vystihl asi nejlépe opět Marc Vrakking:
"Prozatím jsme ukázali, že hologramy mohou vznikat při pokusech se silnými lasery. V budoucnu se budeme muset naučit, jak dostat z hologramu veškeré v něm obsažené informace. To by mohlo vést k vývoji nových metod studia nejenom dynamiky elektronů v časovém měřítku attosekund, ale i časově závislých strukturálních změn v molekulách."
