Ученые разработали микроскоп, способный видеть электроны в движении

Фото из открытых источников

Исследователи из Университета Аризоны разработали самый быстрый в мире электронный микроскоп, который может делать стоп-кадры фотографий движущегося электрона — объекта, движущегося так быстро, что он мог бы обогнуть Землю много раз за секунду.

Они верят, что их работа приведет к революционным достижениям в физике, химии, биоинженерии, материаловедении и других областях.

«Когда вы покупаете последнюю версию смартфона, у него улучшенная камера», — сказал Мохаммед Хассан. «Этот просвечивающий электронный микроскоп похож на очень мощную камеру в последней версии смартфонов; он позволяет нам делать снимки вещей, которые мы не могли видеть раньше, например, электронов. С помощью этого микроскопа мы надеемся, что научное сообщество сможет понять квантовую физику, лежащую в основе поведения и движения электрона».

Хассан возглавил группу исследователей из отделов физики и оптических наук, которые опубликовали научную статью в журнале Science Advances.

Просвечивающий электронный микроскоп — это инструмент, используемый учеными и исследователями для увеличения объектов в миллионы раз по сравнению с их фактическим размером, чтобы увидеть детали, слишком мелкие для обнаружения традиционным световым микроскопом.

Вместо использования видимого света просвечивающий электронный микроскоп направляет пучки электронов через любой изучаемый образец. Взаимодействие между электронами и образцом улавливается линзами и обнаруживается датчиком камеры для создания подробных изображений образца.

Сверхбыстрые электронные микроскопы, использующие эти принципы, были впервые разработаны в 2000-х годах и используют лазер для генерации импульсных пучков электронов. Эта технология значительно увеличивает временное разрешение микроскопа — его способность измерять и наблюдать изменения в образце с течением времени.

В этих сверхбыстрых микроскопах, вместо того чтобы полагаться на скорость затвора камеры для определения качества изображения, разрешение просвечивающего электронного микроскопа определяется длительностью электронных импульсов.

Чем чаще пульс, тем лучше изображение.

Сверхбыстрые электронные микроскопы ранее работали, испуская последовательность электронных импульсов со скоростью в несколько аттосекунд. Аттосекунда составляет одну квинтиллионную секунды. Импульсы с такой скоростью создают серию изображений, как кадры в фильме, но ученые все еще не замечали реакций и изменений в электроне, которые происходят между этими кадрами, пока он развивается в реальном времени.

Чтобы увидеть застывший на месте электрон, исследователи из Университета Альберты впервые сгенерировали одиночный аттосекундный электронный импульс, который имеет такую же скорость, как и электроны, тем самым повысив временное разрешение микроскопа, подобно высокоскоростной камере, фиксирующей движения, которые в противном случае остались бы невидимыми.

Хассан и его коллеги основывали свою работу на достижениях Пьера Агостини, Ференца Крауса и Анн Л'Юйер, удостоенных Нобелевской премии по физике в 2023 году за генерацию первого импульса экстремального ультрафиолетового излучения, настолько короткого, что его можно было измерить за аттосекунды.

Используя эту работу как трамплин, исследователи из Университета Альберты разработали микроскоп, в котором мощный лазер разделяется и преобразуется в две части — очень быстрый электронный импульс и два сверхкоротких световых импульса. Первый световой импульс, известный как импульс накачки, подает энергию в образец и заставляет электроны двигаться или претерпевать другие быстрые изменения.

Второй световой импульс, также называемый «оптическим стробирующим импульсом», действует как затвор, создавая короткое окно времени, в котором генерируется стробируемый одиночный аттосекундный электронный импульс. Скорость стробирующего импульса , таким образом, определяет разрешение изображения. Тщательно синхронизируя два импульса, исследователи контролируют, когда электронные импульсы зондируют образец, чтобы наблюдать сверхбыстрые процессы на атомном уровне.

«Улучшение временного разрешения в электронных микроскопах ожидалось давно и было в центре внимания многих исследовательских групп, поскольку мы все хотим видеть движение электронов», — сказал Хассан. «Эти движения происходят за аттосекунды. Но теперь, впервые, мы можем достичь аттосекундного временного разрешения с помощью нашего электронного просвечивающего микроскопа — и мы назвали это «аттомикроскопией». Впервые мы можем видеть части электрона в движении».