Το πιο γρήγορο μικροσκόπιο στον κόσμο βλέπει τα ηλεκτρόνια να κινούνται!

Ένα παραδοσιακό οπτικό μικροσκόπιο μπορεί να μεγεθύνει αντικείμενα περισσότερο από χίλιες φορές, αλλά οι επιστήμονες συχνά ενδιαφέρονται για ακόμη μικρότερα πράγματα. Η ηλεκτρονική μικροσκοπία μπορεί να κάνει ένα αντικείμενο να φαίνεται ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερο, ωστόσο, και τα μικρότερα αντικείμενα είναι συνήθως αρκετά γρήγορα, γι’ αυτό και η ταχύτητα του μικροσκοπίου είναι επίσης σημαντική. Επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο της Αριζόνα πέτυχαν ένα νέο ορόσημο για την ταχύτητα των μικροσκοπίων, δημιουργώντας ένα ταχύτερο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης που μπορεί να αποτυπώσει μια εικόνα σε μόλις ένα αττοδευτερόλεπτο (10⁻¹⁸ ή πεντακισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου)!.

Τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια διέλευσης (Transmission Electron Microscopes) χρησιμοποιούν δέσμες ηλεκτρονίων αντί για φωτόνια για τη διερεύνηση ενός στόχου. Παράγουν μια δέσμη ηλεκτρονίων που αλληλεπιδρούν με το δείγμα, η οποία καταγράφεται από φακούς και αισθητήρες κάμερας για την παραγωγή μιας μεγεθυμένης εικόνας που δεν θα ήταν ποτέ δυνατή με ένα οπτικό μικροσκόπιο. Τα υπερταχύτατα ηλεκτρονικά μικροσκόπια έχουν βελτιωθεί τα τελευταία 20 χρόνια με τη χρήση παλμικών ακτίνων ηλεκτρονίων. Αυτές οι διατάξεις ήταν σε θέση να βλέπουν αρκετά αττοδευτερόλεπτα κάθε φορά, αλλά η ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή του Πανεπιστημίου της Αριζόνα, Mohammed Hassan, ήθελε να πάει ακόμα πιο γρήγορα.

Μέχρι πρόσφατα, κανείς δεν είχε επινοήσει έναν τρόπο για την παραγωγή τόσο σύντομων παλμών. Η έρευνα του University of Arizona βασίζεται στο έργο των Pierre Agostini, Ferenc Krausz και Anne L’Huilliere, οι οποίοι μοιράστηκαν το 2023 το βραβείο Νόμπελ Φυσικής για την εργασία τους στους παλμούς υπερταχείας ακτινοβολίας. Τα πειράματα αυτά έδωσαν το έναυσμα για έναν αγώνα δρόμου για την παραγωγή όλο και ταχύτερων παλμών και καλύτερων ηλεκτρονικών μικροσκοπίων, γεγονός που επέτρεψε στην ομάδα του Hassan να φτάσει το όριο του ενός attosecond.

Το «αττομικροσκόπιο» είναι τόσο γρήγορο που μπορεί να παγώσει ένα ηλεκτρόνιο στο χρόνο, επιτρέποντας στους επιστήμονες να παρατηρούν τις αλλαγές και τις αντιδράσεις καθώς συμβαίνουν, σαν να βλέπουν μια ταινία σε αργή κίνηση. Αυτό το κάνει με την παραγωγή παλμών ηλεκτρονίων ενός attosecond. Το σύστημα αποτελείται από δύο τμήματα. Στην κορυφή του μικροσκοπίου, ένα laser απελευθερώνει εξαιρετικά γρήγορα ηλεκτρόνια στο εσωτερικό του μικροσκοπίου (παλμός άντλησης). Στο κάτω μέρος, δύο πρόσθετα laser (ο οπτικός παλμός πύλης) ελέγχουν την κίνηση των ηλεκτρονίων προς το δείγμα. Όταν συγχρονίζεται προσεκτικά με τον παλμό αντλίας, ο παλμός πύλης δημιουργεί μικρά παράθυρα χρόνου για τη διέλευση των ηλεκτρονίων, δημιουργώντας τους καθοριστικούς παλμούς του αττοδευτερολέπτου.

Ο Hassan συγκρίνει το αττομικροσκόπιο με την αναβάθμιση της φωτογραφικής μηχανής του smartphone σας. Ίσως το παλιό σας τηλέφωνο να μην μπορούσε να συλλάβει ορισμένα πράγματα, όπως ένα υπερκινητικό παιδί ή κατοικίδιο ζώο. Στη συνέχεια, παίρνετε ένα νέο τηλέφωνο που μπορεί να τραβήξει εικόνες πολύ πιο γρήγορα, και τα ίδια πράγματα έρχονται στο επίκεντρο. Είναι παρόμοιο όταν προσπαθείτε να συλλάβετε την κίνηση των ηλεκτρονίων, απλώς σε πολύ μεγαλύτερες ταχύτητες.

«Αυτές οι κινήσεις συμβαίνουν σε αττοδευτερόλεπτα. Αλλά τώρα, για πρώτη φορά, είμαστε σε θέση να επιτύχουμε χρονική ανάλυση του αττοδευτερολέπτου με το μικροσκόπιο διέλευσης ηλεκτρονίων», δήλωσε ο Hassan. «Για πρώτη φορά, μπορούμε να δούμε τμήματα του ηλεκτρονίου σε κίνηση».

[via]