سریع‌ترین میکروسکوپ جهان حرکت الکترون در یک اتوثانیه را ثبت کرد

توانایی ما برای عکس‌برداری از دنیای زیراتمی به‌علت ابعاد ریز این قلمرو و همچنین سرعت‌های بسیار زیاد اجزای آن محدود است. مشاهده رفتار الکترون‌ها به این دلیل کاری چالش‌برانگیز است. اما حالا توسعه یک میکروسکوپ جدید دانشمندان را قادر کرده تا حرکت الکترون را در زمان واقعی ثبت کنند.

اجزای تشکیل‌دهنده اتم‌ها ممکن است با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت کنند. البته در عمل آن‌ها معمولاً سرعت کمتری دارند. اما همین سرعت‌های آهسته نیز برای چشمان ما یا فناوری‌های فعلی بسیار سریع است.

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

بهبود رزولوشن زمانی میکروسکوپ‌ها یکی از پیشرفت‌های موردانتظار بوده است. زیرا گروه‌های مختلفی روی آن کار می‌کنند و دانشمندان همگی می‌خواستند حرکت الکترون را ببینند. این حرکات در اتوثانیه رخ می‌دهند و حالا برای اولین بار دانشمندان به این رزولوشن زمانی رسیده‌اند. به بیان 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 پدیده‌های دنیای فیزیک است. این تکنیک برای تولید تصویر به الکترون‌ها متکی است، نه نور. یک ستون الکترون از یک نمونه ماده عبور می‌کند و فعل و انفعال نمونه و الکترون‌ها تصویر را می‌سازد.

TEM به‌جای سرعت شاتر دوربین‌های معمولی به سرعت پالس‌های لیزری که الکترون‌ها روی آن منتقل می‌شوند وابسته است. هرچه مدت‌زمان این پالس‌ها سریع‌تر باشد، تصویر حاصل بهتر است. پس برای داشتن تصویر باکیفیت‌تر، باید یک لیزر توسعه داد که می‌تواند پالس‌های کوتاه‌تری شلیک کند.

پیش‌تر لیزرهای TEM به مدت‌زمان چند اتوثانیه رسیده بودند. این یک دستاورد خارق‌العاده است که جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۳ را نیز برای پیشگامانش به ارمغان آورد. گرچه با این سرعت می‌شد مجموعه تصاویری از الکترون‌ها ثبت کرد، اما سرعت حرکت الکترون‌ها کمی بیشتر است، و در نتیجه تغییرات الکترون بین پالس‌ها ثبت نمی‌شد.

پژوهشگران می‌خواستند ببینند آیا می‌توانند راهی برای کاهش مدت‌زمان پالس‌ها به یک اتوثانیه پیدا کنند یا نه. این سرعت 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 وارد می‌کند که باعث افزایش جنبش الکترون‌ها می‌شود. سپس پالس دوم یا پالس دروازه وارد می‌شود که یک دروازه یا پنجره باز می‌کند. وقتی این دروازه باز است، یک پالس یک اتوثانیه‌ای الکترون به نمونه شلیک می‌شود و فرایندهای اتوثانیه‌ای زیراتمی ثبت می‌شوند.

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

دانشمندان امیدوارند که جامعه علمی از این میکروسکوپ برای فهم بهتر فیزیک کوانتوم پشت حرکت و رفتار الکترون‌ها استفاده کند. آن‌ها نتایج پژوهش خود را در ژورنال Science Advances منتشر کرده‌اند.