سریع‌ترین میکروسکوپ جهان حرکت الکترون را با جزئیات خیره‌کننده ثبت می‌کند
محققان دانشگاه آریزونا سریع‌ترین میکروسکوپ الکترونی جهان را ایجاد کرده‌اند، دستگاه شگفت انگیزی که قادر به ثبت تصاویر فریز شده از الکترون‌های در حال حرکت است.
آن‌ها پیش‌بینی می‌کنند که این نوآوری به پیشرفت‌های قابل توجهی در زمینه‌های فیزیک، شیمی، مهندسی زیستی، علم مواد و بیشتر منجر خواهد شد.
«این ابزار جدید دارای بالاترین وضوح زمانی برای فریز کردن زمان و دیدن حرکت الکترون در عمل است. این تصویربرداری الکترونی attomicroscopy پل محکمی برای تبدیل یافته‌های علمی به کاربردهای مهندسی می‌سازد.» محمد حسن، استاد فیزیک و علوم نوری، به Interesting Engineering ( IE ) گفت.
«با این میکروسکوپ، امیدواریم جامعه علمی بتواند فیزیک کوانتومی پشت رفتار الکترون و نحوه حرکت الکترون را درک کند.»
چگونه میکروسکوپ الکترونی کار می‌کند؟
میکروسکوپ‌های الکترونی فوق سریع، که در دهه ۲۰۰۰ توسعه یافتند، از لیزرها برای تولید پالس‌های الکترونی استفاده می‌کنند که وضوح زمانی را به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌دهد - توانایی مشاهده تغییرات در نمونه‌ها در طول زمان.
بر خلاف میکروسکوپ‌های سنتی که کیفیت تصویر به سرعت شاتر دوربین بستگی دارد، وضوح در این میکروسکوپ‌های الکترونی پیشرفته به مدت زمان پالس‌های الکترونی بستگی دارد.
اصول ساده است: هر چه پالس سریع‌تر باشد، تصویر شفاف‌تر است.
میکروسکوپ‌های الکترونی فوق‌سریع قبلی با انتشار مجموعه‌ای از پالس‌های الکترونی در سرعت‌های اندازه‌گیری شده در آتوثانیه - یک کوینتیلیونم ثانیه، کار می‌کردند. این پالس‌ها تصاویر متوالی ایجاد می‌کردند، مانند قاب‌های یک فیلم، اما تغییرات و واکنش‌های سریع درون یک الکترون بین این قاب‌ها همچنان دست‌نیافتنی باقی می‌ماند.
برای اولین بار، محققان دانشگاه آریزونا یک پالس الکترونی آتوثانیه‌ای واحد تولید کرده‌اند تا یک الکترون را در حالت ثابت ثبت کنند، که با سرعت حرکت الکترون مطابقت دارد. این پیشرفت به طور قابل توجهی وضوح زمانی میکروسکوپ را افزایش می‌دهد، مانند یک دوربین با سرعت بالا که لحظاتی را که در غیر این صورت نامرئی بودند، ثبت می‌کند.
توسعه نظریه‌های برنده نوبل
حسن و تیمش بر اساس کار برنده جایزه نوبل پیر آگوستینی، فرنک کراوس و آن لهویلیه، که در سال 2023 جایزه نوبل فیزیک را برای تولید اولین پالس تابش فرابنفش شدید کوتاه اندازه‌گیری شده در آتوثانیه‌ها دریافت کردند، کار کرده‌اند.
«تاثیر بزرگ این سه دانشمند پیشگام به ما اجازه داد حرکت الکترون در زمان واقعی را با استفاده از پالس‌های نوری آتوثانیه‌ای ردیابی کنیم. کار ما بر اساس و توسعه اساس گذاشته شده توسط تلاش‌های آن‌ها با تولید اولین پالس‌های الکترونی آتوثانیه‌ای است، اضافه کردن توانایی دیدن حرکت الکترون در فضا و زمان به طور همزمان،» حسن به IE گفت.
با استفاده از این دستاورد بزرگ، محققان دانشگاه آریزونا یک میکروسکوپ پیشرفته ایجاد کرده‌اند که از یک لیزر قدرتمند استفاده می‌کند که به دو قسمت تقسیم شده است: یک پالس الکترونی بسیار سریع و دو پالس نوری فوق‌العاده کوتاه.
پالس نوری اول، معروف به "پالس پمپی"، نمونه را تحریک می‌کند و موجب حرکت الکترون‌ها یا تغییرات سریع دیگر می‌شود. پالس دوم، که به عنوان "پالس گیت نوری" شناخته می‌شود، به عنوان گیت عمل می‌کند و یک پنجره زمانی کوتاه ایجاد می‌کند که در آن یک پالس الکترونی آتوثانیه‌ای واحد تولید می‌شود. زمان بندی این پالس گیت، وضوح تصویر حاصل را تعیین می‌کند.
با هماهنگی دقیق این دو پالس، محققان می‌توانند به طور دقیق زمانی که پالس‌های الکترونی با نمونه تعامل می‌کنند، کنترل کنند و به آن‌ها اجازه مشاهده فرآیندهای فوق سریع در سطح اتمی را بدهند.
آتومیکروسکوپی و علوم مواد، شیمیایی و زیستی
وقتی از اهمیت این دستاورد بزرگ و چیزی که به ما امکان می‌دهد ببینیم که قبلاً نمی‌توانستیم، سؤال شد، حسن گفت، «آتومیکروسکوپی ساختار مورفولوژی مواد را با دینامیک الکترونی آن‌ها متصل می‌کند، به ما امکان می‌دهد جریان‌های الکترونی را تصویر و کنترل کنیم و الکترونیک‌های کنترل شده با میدان لیزر که میلیون‌ها برابر سریع‌تر از الکترون‌های فعلی است، و می‌تواند به اندازه چند نانومتر کوچک باشد.»
«تاثیر آتومیکروسکوپی نه تنها بر کاربردهای مهندسی است بلکه می‌تواند به شیمی و زیست شناسی نیز گسترش یابد. دیدن حرکت الکترون با آتومیکروسکوپی می‌تواند به دیدن شکست و شکل‌گیری پیوندهای شیمیایی نیز توسعه یابد،» اضافه کرد.
«این قابلیت جدید به ما اجازه می‌دهد تا رویاهای بلند مدت شیمی‌دانان را برای کنترل واکنش‌های شیمیایی در محل تحقق بخشیم. بنابراین، ما می‌توانیم مولکول‌های جدید ایجاد کنیم و حوزه تحقیقاتی کشف دارو را متحول کنیم.»
در مورد کاربردها در علم زیست شناسی، رهبر تیم توضیح داد، «آتومیکروسکوپی نیز از پیشرفت بزرگی در cryo-TEM (که در سال 2017 جایزه نوبل دریافت کرد) بهره‌مند خواهد شد برای دیدن حرکت الکترون در مولکول‌ها و نمونه‌های بیولوژیکی. تصور کنید اگر بتوانیم ببینیم که چگونه الکترون‌ها حرکت می‌کنند و آن‌ها را به صورت درخواستی کنترل کنیم تا ساختار سه بعدی DNA را تأیید کنیم. این، به طور قطع، درهای بیشتری برای پیشرفت‌های علمی و فناوری باز خواهد کرد.»
چگونه این فناوری به علم کاربردی ترجمه می‌شود؟
پس این چه معنایی برای پیشرفت‌های فناوری‌های قابل استفاده دارد؟ حسن گفت، «مثال کامل آن این است که ما از بینش‌هایی که از تصویربرداری حرکت الکترون در گرافن با آتومیکروسکوپی در این تحقیق به دست آوردیم استفاده کردیم تا سوئیچ‌های جریان آتوثانیه‌ای و اپتوالکترونیک‌های فوق سریع مبتنی بر گرافن را در کار دیگری که در حال حاضر در حال انتشار است، توسعه دهیم.»
این یعنی توسعه ترانزیستورهای نوری فوق سریع، تقریباً شش مرتبه بزرگتر ، الکترونیک‌های موج نوری و کامپیوترهای کوانتومی نوری.
وقتی از او پرسیدند که این توسعه چه معنایی برای ماهیت به اصطلاح «مرموز» فیزیک کوانتومی دارد و چرا لازم است یک الکترون را در حال حرکت دید، حسن توضیح داد، «این یک سوال بسیار مهم است. ما تلاش می‌کنیم که رفتار کوانتومی حرکت الکترون را از دیدگاه استاتیک بفهمیم.»
«آتومیکروسکوپی یک در جدید در زمان برای ما باز می‌کند تا رفتار کوانتومی الکترون‌ها را در زمان واقعی و فضا ببینیم و درک کنیم. آتومیکروسکوپی ممکن است به عنوان دوربین کوانتومی برای فیلمبرداری از این دنیای مرموز عمل کند،» او نتیجه‌گیری کرد.
این مطالعه در Science Advances منتشر شده است.
