با کمک پرتوهای الکترونی درهم‌تافته(twisted)، برای نخستین بار، دستینه‌گی (handedness) یا دست‌سانی (chirality) یک بلور بسیار نازک تعیین شده‌است. این روش تازه که در آن، از میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) بهره گرفته‌می‌شود، نتیجه‌ی نوآوری فیزیک‌پیشه‌گانی از دانش‌گاه Antwerp، در بلژیک، است. هم‌اکنون، با این روش، نمونه‌های ۲۰ نانومتری مورد بررسی قرار می‌گیرند. این گروه از پژوهش‌گران باور دارند که می‌توان این روش را برای کار بر نانوذره‌ها و تک‌ملکول‌ها نیز گسترش داد.

مارپیچ الکترونی: فاز باریکه در نزدیکی نوک سوزن

ملکول‌های دست‌سان، در دو دسته مشاهده می‌شوند: نخست، پادهم‌سان‌پارها (enantiomers) که تصویر آینه‌ای یک‌دیگر هستند. آن‌ها ترکیب‌ها اتمی هم‌سانی دارند اما نمی‌توان آن‌ها را چرخاند-درست مانند سمت راست یک انسان که هرگز نمی‌تواند مانند سمت چپش باشد. دست‌سانی می‌تواند بر ویژه‌گی‌های زیستی و شیمیایی برخی ملکول‌ها تاثیر داشته‌باشد.

می‌توان دست‌سانی ملکول‌ها در نمونه‌های بزرگ را با عبور نور قطبیده اندازه‌گیری کرد. اگر شمار ملکول‌های راست، و چپ دست در نمونه برابر باشد، قطبش تغییر نخواهد کرد. اگر شمار پادهمسان‌پارها بیش‌تر باشد، قطبش چرخانده‌می‌شود. مشکل از جایی آغاز می‌شود که می‌خواهیم نمونه‌های بسیار کوچک –نانوذره‌ها و تک‌ملکول‌ها- را نیز با همین روش بررسی کنیم. این برهم‌کنش ذاتا ضعیف است و در نمونه‌‌هایی که از طول‌موج نور فرودی کوچک‌تر هستند، به کار نمی‌آید.

جبه‌های موج درهم‌تافته

اما باریکه‌های الکترونی با نمونه‌های کوچک برهم‌کنش قوی دارند و نوید پیش‌رفت در این مسیر را می‌دهند. جو وربیک، در پژوهش گفته‌شده، محاسبات گسترده‌ای انجام داده و نشان داده‌است که باید بتوان با باریکه‌های الکترونی درهم‌تافته یا کانونی (گردابی)، دست‌سانی را اندازه‌گیری کرد. جبهه‌ی یک موج کانونی، بر خلاف موج‌های عمومی TEM که تخت هستند، حول محور انتشار خود چرخیده و یک مارپیچ ایجاد می‌کند. بنابراین، باریکه‌های کانونی می‌تواند، در جهت ساعت‌گرد (چپ‌دستی) یا خلاف جهت آن (راست‌دستی) بچرخد. دستینه‌گی سبب می‌شود این باریکه‌ها نسبت به دست‌سانی حساس باشند.

تک‌قطبی ماک: روزنه و سوزن مغناطیسی

وربیک و هم‌کاران، برای بررسی پیش‌بینی‌های‌شان، یک روزنه و یک سوزن بسیار باریک و مغناطیده در TEM خود کار گذاشتند. از آن‌جایی که الکترون‌ها تنها با یک قطب برهم‌کنش دارند، طوری رفتار می‌کنند که گویی با یک تک‌قطبی در ارتباط هستند. این گونه، الکترون‌ها به حالت کانونی می‌روند.

این گروه از پژوهش‌گران، با به کار بستن موج کانونی بر آنتیموانیت منگنز (Mn2Sb2O7) که بلوری دست‌سان است، الگوهای پراش متفاوتی را به دست آورند. با پرتویی که در یک جهت می‌چرخید پنج الگوی اول را ایجاد کرده، و با پرتویی که در جهت مخالف می‌چرخید، پنج الگوی بعدی را نقش زدند. الگوهای پراش، به میزان کانونی بودن باریکه‌ها وابسته بودند. و این گونه، محاسبه‌ی دست‌سانی با مقایسه‌ی الگوها انجام شد.

شکست تقارن

بنا بر گفته‌ی وربیک، و همان طور که قانون فریدل بیان می‌کند، نمی‌توان دست‌سانی یک بلور را با موج ساده تعیین کرد.

با الگوهای پراشی که از پراکنده‌گی چندین‌باره‌ی الکترون‌ها، به دست می‌آید نیز می‌توان دست‌سانی را محاسبه نمود؛ اما، آن چنان که وربیک می‌افزاید، در نمونه‌های بسیار نازک احتمال این دست پراکنده‌گی‌ها بسیار پایین بوده و این خود بر اهمیت روش پرتوهای کانونی می‌افزاید.

وربیک می‌پذیرد که هم‌چنان دشواری‌های فراوانی در مسیر بهره‌بری از این روش، در بررسی تک‌ملکول‌ها، وجود دارد؛ به عنوان نمونه، باریکه، می‌تواند، پیش از ایجاد الگو، تک‌ملکول‌ها را بشکند. وربیک، برای از میان برداشتن این مشکل، اندازه‌گیری بسیار سریع را پیش‌نهاد می‌دهد.

یک مشکل دیگر آن است که جهت‌دهی نمونه، نسبت به باریکه، باید بسیار دقیق انجام شود. انجام این کار برای نانوذره‌ها و تک‌ملکول‌ها، برخلاف نمونه‌های بزرگ، بسیار دشوار است. وربیک و هم‌کاران برای حل این مشکل، محاسبات و آزمایش‌هایی انجام می‌دهند تا بتوانند دست‌سانی بلورهایی را که جهت‌گیری تصادفی دارند، تعیین کنند.

...................................................

منبع:

crystal-handedness-revealed-by-twisted-electron-beams

مرجع:

Physical Review B.