Naukowcy z Uniwersytetu w Arizonie opracowali technikę „attomikroskopii” przy użyciu nowatorskiego ultraszybkiego mikroskopu elektronowego, który wychwytuje poruszające się elektrony z niespotykaną dotąd szczegółowością, torując drogę do znaczących przełomów naukowych w fizyce i innych dziedzinach.
Wyobraź sobie kamerę tak zaawansowaną, że może rejestrować obrazy stop-klatki poruszającego się elektronu – obiektu tak szybkiego, że mógłby okrążyć Ziemię wiele razy w ciągu zaledwie sekundy. Naukowcy z Uniwersytetu w Arizonie opracowali najszybszy na świecie mikroskop elektronowy umożliwiający dokonanie tego niezwykłego wyczynu.
Wierzą, że ich praca doprowadzi do przełomowych postępów w fizyce, chemii, bioinżynierii, naukach o materiałach i nie tylko.
„Kiedy dostajesz najnowszą wersję smartfona, jest on wyposażony w lepszy aparat” – powiedział Mohammed Hassan, profesor fizyki i nauk optycznych. „Ten transmisyjny mikroskop elektronowy jest jak bardzo mocny aparat w najnowszej wersji smartfonów; pozwala nam robić zdjęcia rzeczy, których wcześniej nie mogliśmy zobaczyć – na przykład elektronów. Mamy nadzieję, że dzięki temu mikroskopowi społeczność naukowa będzie w stanie zrozumieć fizykę kwantową stojącą za zachowaniem i ruchem elektronu”.
Hassan kierował zespołem badaczy z wydziałów fizyki i nauk optycznych, który opublikował wyniki badań w czasopiśmie „ Postęp nauki dziennik.
Funkcjonalność transmisyjnych mikroskopów elektronowych
Transmisyjny mikroskop elektronowy to narzędzie wykorzystywane przez naukowców i badaczy do powiększania obiektów nawet miliony razy w stosunku do ich rzeczywistego rozmiaru, aby zobaczyć szczegóły zbyt małe, aby tradycyjny mikroskop świetlny mógł je wykryć. Zamiast wykorzystywać światło widzialne, transmisyjny mikroskop elektronowy kieruje wiązki elektronów przez badaną próbkę. Interakcja między elektronami a próbką jest wychwytywana przez soczewki i wykrywana przez czujnik kamery w celu wygenerowania szczegółowych obrazów próbki.
Ultraszybkie mikroskopy elektronowe wykorzystujące te zasady zostały po raz pierwszy opracowane w 2000 roku i wykorzystują laser do generowania pulsacyjnych wiązek elektronów. Technika ta znacznie zwiększa rozdzielczość czasową mikroskopu – jego zdolność do pomiaru i obserwacji zmian w próbce w czasie. W tych ultraszybkich mikroskopach zamiast polegać na szybkości migawki aparatu w celu dyktowania jakości obrazu, rozdzielczość transmisyjnego mikroskopu elektronowego jest określana na podstawie czasu trwania impulsów elektronowych.
Im szybszy puls, tym lepszy obraz.
Ultraszybkie mikroskopy elektronowe działały wcześniej poprzez emisję ciągu impulsów elektronowych z prędkością kilku attosekund. Attosekunda to jedna trylionowa sekundy. Impulsy o takich prędkościach tworzą serię obrazów, jak klatki w filmie, ale naukowcom wciąż brakowało reakcji i zmian w elektronie zachodzącym pomiędzy tymi klatkami w miarę jego ewolucji w czasie rzeczywistym. Aby zobaczyć zamrożenie elektronu w miejscu, badacze z U of A po raz pierwszy wygenerowali pojedynczy attosekundowy impuls elektronowy, który jest tak szybki, jak poruszają się elektrony, zwiększając w ten sposób rozdzielczość czasową mikroskopu, podobnie jak szybka kamera rejestrująca ruchy które w przeciwnym razie byłyby niewidoczne.
Przyszłe implikacje i badania
Hassan i jego współpracownicy oparli swoją pracę na nagrodzonych Nagrodą Nobla osiągnięciach Pierre’a Agostiniego, Ferenca Krausza i Anne L’Huilliere, którzy zdobyli Nagrodę za powieść w dziedzinie fizyki w 2023 r. po wygenerowaniu pierwszego impulsu ekstremalnego promieniowania ultrafioletowego, tak krótkiego, że można go było zmierzyć w attosekundach.
Wykorzystując tę pracę jako odskocznię, badacze z U of A opracowali mikroskop, w którym potężny laser jest rozdzielany i przekształcany na dwie części – bardzo szybki impuls elektronowy i dwa ultrakrótkie impulsy świetlne. Pierwszy impuls świetlny, zwany impulsem pompy, dostarcza energię do próbki i powoduje ruch elektronów lub przechodzenie innych szybkich zmian. Drugi impuls świetlny, zwany także „optycznym impulsem bramkującym”, działa jak bramka, tworząc krótkie okno czasowe, w którym generowany jest bramkowany, pojedynczy attosekundowy impuls elektronowy. Prędkość impulsu bramkującego decyduje zatem o rozdzielczości obrazu. Dokładnie synchronizując oba impulsy, badacze kontrolują, kiedy impulsy elektronów sondują próbkę, aby obserwować ultraszybkie procesy na poziomie atomowym.
„Od dawna oczekiwano poprawy rozdzielczości czasowej wewnątrz mikroskopów elektronowych, na czym skupiało się wiele grup badawczych, ponieważ wszyscy chcemy zobaczyć ruch elektronów” – powiedział Hassan. „Te ruchy zachodzą w ciągu attosekund. Ale teraz po raz pierwszy jesteśmy w stanie osiągnąć attosekundową rozdzielczość czasową za pomocą naszego elektronowego mikroskopu transmisyjnego – i nazwaliśmy to „attomikroskopią”. Po raz pierwszy możemy zobaczyć poruszające się fragmenty elektronu.”
Odniesienie: „Attosekundowa mikroskopia elektronowa i dyfrakcja” autorstwa Dandana Hui, Husaina Alqattana, Mohameda Sennarego, Nikolaya V. Golubeva i Mohammeda Th. Hassana, 21 sierpnia 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adp5805
Badanie zostało sfinansowane przez Fundację Gordona i Betty Moore oraz Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych.
Hassan współpracował z Nikołajem Gołubiewem, adiunktem fizyki; Dandan Hui, współautor i były pracownik naukowy w dziedzinie optyki i fizyki, obecnie pracujący w Instytucie Optyki i Mechaniki Precyzyjnej Xi’an Chińskiej Akademii Nauk; Husain Alqattan, współautor, absolwent Uniwersytetu A i adiunkt fizyki na Uniwersytecie w Kuwejcie; oraz Mohamed Sennary, absolwent optyki i fizyki.
