I torsdags var Nobelpristagaren i kemi, Dan Shechtman, i stan och höll ett väldigt trevligt föredrag om sin upptäckt av så kallade kvasikristaller. Själva upptäckten har beskrivits så bra på andra ställen att jag tänkte haka upp mig på en av de saker han pratade om under sitt föredrag, nämligen förutsättningarna för att upptäckten skulle kunna göras. Han berättade att TEM, transmissionselektronmikroskopet, var en förutsättning för att kvasikristallerna skulle kunna upptäckas.

När en fysiker, kemist eller liknande använder ordet kristall  menar hen ett material där atomerna sitter i en ordnad struktur som följer ett visst mönster, till skillnad från amorfa material som glas där de sitter lite huller om buller. En bergskristall är verkligen en kristall eftersom atomerna i den sitter ordnat medan kristallglas inte består av kristall utan är just ett glas. För att studera hur atomerna sitter - vilket mönster kristallen följer - använder man ofta diffraktion.

Diffraktion är samma fenomen som får oljefläckar på vattenpölar att skimra i olika färger. När ljus från solen träffar oljans yta kommer en del av det att reflekteras och en del att transmitteras, alltså fortsätta ner genom oljelagret. När det transmitterade ljuset når vattenytan reflekteras återigen en del, medan resten fortsätter ner i vattenpölen. När det reflekterade ljuset når upp till ytan igen kommer det att samverka med ljuset som reflekterades första gången. Eftersom ljus består av vågor kommer de två reflekterade ljusstrålarna att förstärka eller försvaga varandra. Vilket det blir beror på ljusets våglängd, eller färg, och hur tjockt oljelagret är. Det spelar också roll ur vilken vinkel man ser ytan. Eftersom oljefläcka sällan är jämntjocka över en hel vattenpöl kommer olika färger att förstärkas på olika ställen, och därför ser vi en skimrande färgrik yta.

Men vad har det med kristaller att göra? De välordnade atomerna i en kristall fungerar på samma sätt som gränsen mellan olja och vatten, på så sätt att de reflekterar en del strålning. Eftersom det finns många atomer som sitter fördelade i olika plan kommer strålningen att förstärkas eller försvagas i olika riktningar, vilket ger upphov till ett så kallat diffraktionsmönster. Ur ett diffraktionsmönster kan man sedan med lite beräkningar utläsa kristallens struktur. Eftersom avståndet mellan atomerna i en kristall är mycket mindre än tjockleken på en oljefläck krävs det också ljus med mycket kortare våglängd för att man ska kunna se fenomenet. Därför använder man ofta röntgenstrålning, som har en väldigt kort våglängd.

Nu var det emellertid ett TEM som Dan Shechtman hade använt. Ett TEM är en sorts mikroskop där man använde elektroner istället för ljus. Elektroner och andra elementarpartiklar har också en våglängd som beror på deras hastighet och massa. Elektronernas våglängd är mindre än våglängden hos ljus, vilket gör att man kan använda dem för att avbilda mindre föremål. Shechtman kunde alltså fokusera på en mindre del av sitt material när han använde elektroner än vad han kunnat med röntgenstrålning. (Det finns för all del några nackdelar med att använda elektroner också. Faktum är att TEM och dess kusin SEM, skanningselektronmikroskop, nog förtjänar en helt egen bloggpost framöver.)

Att man kan avbilda mindre saker, och fokusera en stråle av elektroner på en mindre yta än man kan fokusera en ljusstråle, var betydelsefullt i fallet med kvasikristallerna eftersom de var så små. Själva materialet var säkert inte så litet, men bestod av många kristallkorn med olika orientering. Om bredden på strålen man skickar in är större än kornen kan man då inte se deras kristallstruktur ordentligt, och kvasikristallerna var för små för röntgendiffraktion. Man hade inte kunnat se dem tidigare eftersom mätinstrumenten inte var tillräckligt känsliga. Sådant tycker jag är intressant - och lite spännande eftersom våra mätinstrument hela tiden blir känsligare.