سریع‌ترین میکروسکوپ جهان می‌تواند حرکت الکترون‌ها را ببیند

میکروسکوپ الکترونی از تقریبا یک قرن پیش وجود داشته است، اما مدلی جدید از آن رکوردی را شکسته که فیزیکدانان دهه‌ها در انتظار دیدنش بودند.

برای اولین بار، یک میکروسکوپ الکترونی عبوری، الکترون‌ها را با چنان وضوحی تصویربرداری می‌کند که می‌تواند اجزای منفردشان را تشخیص دهد. محققان بر این باورند که قلمرویی کاملاً جدید از علم نورشناسی به‌نام «آتومیکروسکوپی» را گشوده‌اند که بر دنیای فیزیک کوانتوم، زیست‌شناسی و شیمی تأثیر خواهد گذاشت.

پیشرفت اخیر توسط تیمی به رهبری متخصصان دانشگاه آریزونا به دست آمده و در مطالعه جدیدی که در نشریه ساینس ادونسز منتشر شده، به تفصیل شرح داده شده است. محمد حسن، دانشیار فیزیک و علوم نوری آریزونا، میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری را به دوربین گوشی‌های هوشمند تشبیه می‌کند.

هرچند میکروسکوپ الکترونی اولیه در اوایل دهه ۱۹۳۰ وارد بازار شد، دانشمندان از دهه‌ی ۲۰۰۰ به میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری متکی هستند. در این دستگاه‌ها، اجسام میلیون‌ها برابر اندازه‌شان، بسیار فراتر از میکروسکوپ‌های نوری، بزرگنمایی می‌شوند. بزرگنمایی فوق‌العاده به‌لطف اتکای میکروسکوپ به پالس‌های پرتوهای لیزر الکترونی است که به سمت هدف شلیک می‌شود. از آنجا، حسگرها و لنزهای دوربین بسیار دقیق این ذرات اتمی را هنگام عبور از نمونه تصویربرداری می‌کنند. تغییرات مشاهده شده در سوژه بین این تصاویر همان چیزی است که به آن وضوح زمانی میکروسکوپ می‌گویند.

دانشمندان می‌خواهند برای افزایش وضوح تصویر، حرکات فوق‌العاده سریع الکترون‌ها را در مقیاس اتوثانیه که فقط کوئنتیلیونم (ده به توان منفی ۱۸) ثانیه طول می‌کشد، مشاهده کنند. اما حتی مقیاس چند اتوثانیه‌ای برای ثبت حرکات تکی الکترون‌ها بسیار بزرگ است. برای انجام این کار، فیزیکدانان مسئول مطالعه‌، تفنگی الکترونی را به‌گونه‌ای بهینه کردند تا بتواند پالسی در حد تنها یک اتوثانیه تولید کند.

محققان از برندگان جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۳ الهام گرفتند که اولین پالس‌های بسیار کوتاه نور فرابنفش را که بر حسب آتوثانیه نیز اندازه‌گیری می‌شد، ایجاد کردند. با تکیه بر این، محققان موفق به تولید یک پالس آتوثانیه‌ای مورد نیاز برای میکروسکوپ خود، یعنی آتومیکروسکوپ شدند.

پالس‌ها‌ی تولید‌شده به نمونه‌ی مورد مطالعه برخورد می‌کنند و با عبور الکترون‌ها از آن، سرعتشان کاهش می‌یابد و شکل جبهه موج پرتو الکترونی را تغییر می‌دهند. سپس پرتو‌ی کند‌شده، به‌وسیله‌ی عدسی بزرگنمایی می‌شود و درنهایت به ماده‌ی فلورسنت که با فرود پرتو نور روی آن می‌درخشد، برخورد می‌کند.

میکروسکوپ جدید پرتو لیزر را به سه قسمت تقسیم می‌کند: یک پالس تک‌الکترونی و دو پالس نور بسیار کوتاه؛ اولین پالس نور به‌نام پالس پمپ به الکترون‌های نمونه انرژی می‌دهد و پالس نور دوم لحظه‌ای کوتاه ایجاد می‌کند که طی آن می‌توان پالس الکترونی یک اتوثانیه‌ای را از میکروسکوپ گسیل کرد. با زمان‌بندی دقیق این پالس‌ها، دانشمندان می‌توانند رویدادهایی را که در مقیاس اتوثانیه اتفاق می‌افتند، ثبت و رفتار الکترون‌ها را با جزئیات بی‌سابقه مشاهده کنند.

پالس‌ها مانند شاتر روی دوربین، به تیم تحقیقاتی اجازه می‌داد تا هر ۶۲۵ اتوثانیه یک تصویر جدید از الکترون‌های موجود در یک صفحه‌ی گرافن بگیرند که تقریباً هزار برابر سریع‌تر از تکنیک‌های موجود است.

میکروسکوپ جدید هنوز نمی‌تواند از یک الکترون عکس بگیرد؛ زیرا این‌کار به وضوح فضایی بسیار بالایی نیاز دارد. اما با ردیف‌کردن تصاویر جمع‌آوری‌شده، دانشمندان نوعی فیلم استاپ‌موشن ساختند که نشان می‌دهد چگونه مجموعه‌ای از الکترون‌ها در یک مولکول حرکت می‌کنند.

به‌گفته‌ی حسن: «بهبود قدرت تفکیک زمانی در داخل میکروسکوپ‌های الکترونی از مدت‌ها پیش مورد انتظار بود و در کانون توجه بسیاری از گروه‌های تحقیقاتی قرار داشت. برای اولین بار، ما می‌توانیم تکه‌هایی از الکترون را در حال حرکت ببینیم.»

براساس چکیده‌ی مطالعه، میکروسکوپ اتوثانیه به فیزیکدانان، دانشمندان اپتیک و دیگر متخصصان امکان می‌دهد تا حرکت الکترون را با جزئیات بی‌سابقه مطالعه کنند و مستقیماً آن را به دینامیک ساختاری ماده در حوزه‌های بلادرنگ و فضا متصل کنند.