سریع‌ترین میکروسکوپ جهان زمان را منجمد کرد

یک میکروسکوپ الکترونی جدید می تواند به طور موثر زمان را منجمد کند و تصاویری از رویدادها را تنها در یک آتوثانیه ثبت کند.

تصویربرداری از دنیای زیراتمی نه تنها به این دلیل که بسیار کوچک است، بلکه به دلیل سرعت بالای آن دشوار است. اکنون، فیزیکدانان دانشگاه آریزونا سریع‌ترین میکروسکوپ الکترونی جهان را برای ثبت رویدادهای تنها یک کوئنتیلیونم ثانیه ساخته‌اند.

یک دوربین خوب با سرعت شاتر در حدود میلی ثانیه ممکن است بتواند از فردی که در حال دویدن است عکس واضحی بگیرد، اما سریع ترین دوربین های جهان، میکروسکوپ های الکترونی عبوری، می توانند رویدادهایی را در مقیاس آتوثانیه ثبت کنند، مانند عکس های الکترون ها. در آنها در حال حرکت هستند، ثبت نام کنید.

میکروسکوپ الکترونی عبوری نوعی میکروسکوپ الکترونی است که در آن پرتوی از الکترون ها از یک نمونه بسیار نازک عبور می کند و از برهم کنش الکترون های ارسالی با نمونه تصویری تشکیل می شود. سپس تصویر بر روی یک دستگاه تصویربرداری مانند یک صفحه فلورسنت یا یک لایه فیلم عکاسی متمرکز و بزرگ‌نمایی می‌شود یا توسط یک سنسور در معرض دید قرار می‌گیرد.

این میکروسکوپ ها قادر به تصویربرداری با وضوح قابل توجهی بالاتر از میکروسکوپ نوری هستند و دلیل آن نیز کوچکتر بودن طول موج الکترون ها از طول موج نور است. آنها قادر به عکاسی از ریزساختار مواد با بزرگنمایی هزار تا یک میلیون برابر با وضوح تصویر کمتر از یک نانومتر هستند.

شایان ذکر است که یک آتوثانیه برابر با یک کوئنتیلیونم ثانیه است که باعث می شود یک میلی ثانیه (یک هزارم ثانیه) یک ابدیت به نظر برسد.

برای روشن‌تر شدن موضوع، می‌توان گفت که در هر ثانیه آتوثانیه وجود دارد، به همان اندازه که در ۳۱.۷ میلیارد سال وجود دارد. این بیش از دو برابر زمانی است که جهان وجود داشته است. این بدان معنی است که اعداد واقعاً غیرقابل درک در اینجا وجود دارد.

تلاش‌های قبلی برای ثبت رویدادها در چنین مقیاس زمانی تا ۴۳ آتوثانیه کوتاه بود که محققان در آن زمان آن را «کوتاه‌ترین رویداد کنترل‌شده توسط انسان» نامیدند و اکنون محققان آن را حتی بیشتر از آن به یک آتوثانیه کاهش داده‌اند.

کار جدید مبتنی بر تحقیقات پیر آگوستینی، فرانک کراز و آن لوئیل است که اولین پالس های نوری را به اندازه کافی کوتاه کردند که در مقیاس آتوثانیه اندازه گیری شوند.

لازم به ذکر است این تیم برنده جایزه نوبل فیزیک در سال ۲۰۲۳ شد.

برای این مطالعه جدید، محققان چیزی را توسعه دادند که آن را “میکروسکوپ اتمی” می نامند. ابتدا یک پالس نور فرابنفش به داخل یک فوتوکاتد شلیک می‌شود که الکترون‌های بسیار سریعی را در میکروسکوپ اتمی آزاد می‌کند. سپس یک پالس لیزر به دو پرتو تقسیم می‌شود که هر دو به سمت الکترون‌هایی هدایت می‌شوند که در میکروسکوپ حرکت می‌کنند. یکی از این پرتوها قطبی است و در زمان‌های کمی متفاوت می‌رسد و یک پالس الکترونی تولید می‌کند که می‌تواند یک نمونه را تصویر کند (گرافن در این مورد).

با استفاده از این تکنیک، تیم قادر به تولید پالس‌های الکترونی در مقیاس یک آتوثانیه بود که به آن‌ها اجازه می‌داد حرکت الکترون فوق سریع را مشاهده کنند که معمولاً نامرئی بود.

محققان می گویند این پیشرفت می تواند در فیزیک کوانتومی، شیمی و زیست شناسی کاربرد داشته باشد.

محمد حسن، نویسنده این مطالعه، گفت: «بهبود تفکیک زمانی در میکروسکوپ‌های الکترونی مدت‌ها پیش‌بینی شده است و مورد توجه بسیاری از گروه‌های تحقیقاتی بوده است، زیرا همه ما می‌خواهیم حرکت الکترون را ببینیم». این حرکات در چند آتوثانیه اتفاق می افتد.

وی افزود: اکنون برای اولین بار می توانیم با میکروسکوپ الکترونی عبوری خود به تفکیک زمانی آتوثانیه دست پیدا کنیم و «میکروسکوپ اتمی» را اختراع کردیم. برای اولین بار، ما می توانیم تکه هایی از الکترون ها را در حال حرکت ببینیم.

این تحقیق در مجله Science Advances منتشر شده است.

منبع: ایسنا