سریع‌ترین میکروسکوپ جهان حرکت الکترون را در اتوثانیه ثبت کرد_آیندگان

توانایی ما برای عکس‌برداری از دنیای زیراتمی به‌علت ابعاد ریز این قلمرو و این چنین شدت‌های زیاد زیاد اجزای آن محدود است. مشاهده حرکت الکترون‌ها به این علت کاری چالش‌برانگیز است. اما اکنون گسترش یک میکروسکوپ تازه دانشمندان را قادر کرده تا حرکت الکترون را در زمان واقعی ثبت کنند.

اجزای راه اندازی‌دهنده اتم‌ها امکان پذیر با سرعتی نزدیک به شدت نور حرکت کنند. یقیناً در عمل آن‌ها طبق معمولً شدت کمتری دارند. اما همین شدت‌های آهسته نیز برای چشمان ما یا فناوری‌های جاری زیاد سریع است.

گروهی از فیزیکدانان دانشگاه آریزونا توسان، به سرپرستی «داندان هویی» (Dandan Hui) و «حسین القطّان» (Husain Alqattan)، میکروسکوپی گسترش داده‌اند که می‌تواند با شدت اتوثانیه (attosecond) عکس‌برداری کند. هر اتوثانیه برابر است با ^۱۸-۱۰ ثانیه. آن‌ها فناوری خود را «اتومیکروسکوپی» (attomicroscopy) نامیده‌اند.

بهبود رزولوشن وقتی میکروسکوپ‌ها یکی از پیشرفت‌های موردانتظار بوده است. چون گروه‌های مختلفی روی آن کار می‌کنند و دانشمندان همه انها می‌خواستند حرکت الکترون را ببینند. این حرکات در اتوثانیه رخ خواهند داد و اکنون برای اولین بار دانشمندان به این رزولوشن وقتی رسیده‌اند. به گفتن دیگر، آن‌ها می‌توانند حرکت ذرات الکترون را ثبت کنند.

ساخت یک میکروسکوپ برای ثبت حرکت الکترون

میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) یک تکنیک برای تصویربرداری از کوچک‌ترین اتفاق‌های دنیای فیزیک است. این تکنیک برای تشکیل عکس به الکترون‌ها متکی است، نه نور. یک ستون الکترون از یک نمونه ماده عبور می‌کند و فعل و انفعال نمونه و الکترون‌ها عکس را می‌سازد.

TEM به‌جای شدت شاتر دوربین‌های معمولی به شدت پالس‌های لیزری که الکترون‌ها روی آن منتقل خواهد شد وابسته است. هرچه زمان‌زمان این پالس‌ها سریع تر باشد، عکس حاصل بهتر است. بعد برای داشتن عکس باکیفیت‌تر، باید یک لیزر گسترش داد که می‌تواند پالس‌های مختصر‌تری شلیک کند.

پیش‌تر لیزرهای TEM به زمان‌زمان چند اتوثانیه رسیده بودند. این یک دستاورد شگفت انگیز است که جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۳ را نیز برای پیشگامانش به ارمغان آورد. گرچه با این شدت می‌شد مجموعه تصاویری از الکترون‌ها ثبت کرد، اما شدت حرکت الکترون‌ها مقداری زیاد تر است، و در نتیجه تغییرات الکترون بین پالس‌ها ثبت نمی‌شد.

پژوهشگران می‌خواستند ببینند آیا می‌توانند راهی برای افت زمان‌زمان پالس‌ها به یک اتوثانیه اشکار کنند یا نه. این شدت حرکت الکترون‌های درون ستون است. در نتیجه، TEM می‌توان حرکت آن‌ها را در یک فریم ثبت کند.

دانشمندان با تقسیم هر پالس به سه پالس (دو پالس نور و یک پالس الکترون) به این دستاورد رسیدند. اولین پالس نور، پالس پمپ نام دارد. این پالس به یک نمونه گرافن انرژی داخل می‌کند که علتافزایش جنبش الکترون‌ها می‌شود. سپس پالس دوم یا پالس دروازه داخل می‌شود که یک دروازه یا پنجره باز می‌کند. هنگامی این دروازه باز است، یک پالس یک اتوثانیه‌ای الکترون به نمونه شلیک می‌شود و فرایندهای اتوثانیه‌ای زیراتمی ثبت خواهد شد.

به این ترتیب فیزیکدانان توانستند حرکت الکترون را ثبت کنند. حاصل یک نقشه دقیق از دینامیک الکترون‌ها است. این نقشه راه را برای مطالعاتی تازه در عرصه حرکت ذرات مهم باز می‌کند.

دانشمندان امیدوارند که جامعه علمی از این میکروسکوپ برای فهمیدن بهتر فیزیک کوانتوم پشت حرکت و حرکت الکترون‌ها منفعت گیری کند. آن‌ها نتایج پژوهش خود را در ژورنال Science Advances انتشار کرده‌اند.