معجزه سریع‌ترین میکروسکوپ الکترونی جهان

غزل زیاری: محققان دانشگاه آریزونا سریع ترین میکروسکوپ الکترونی جهان را ساخته اند. این میکروسکوپ قادر به ثبت تصاویر فریم انجمادی از الکترون های متحرک است. دانشمندان انتظار دارند که این نوآوری منجر به پیشرفت های عمده ای در زمینه هایی مانند فیزیک، شیمی، مهندسی زیستی، علم مواد و فراتر از آن شود.

محمد حسن، دانشیار فیزیک و علوم نوری، گفت: “این دستگاه جدید دارای بالاترین وضوح زمانی برای انجماد زمان و دیدن حرکات الکترون است.” “

وی در توضیح بیشتر گفت: ما امیدواریم که جامعه علمی بتواند فیزیک کوانتومی را که در پس چگونگی رفتار الکترون و نحوه حرکت آن با استفاده از این میکروسکوپ قرار دارد، درک کند.

این اولین بار در دهه 2000 بود که میکروسکوپ های الکترونی فوق سریع ساخته شدند. در این میکروسکوپ ها از لیزر برای تولید پرتوهای الکترونی پالسی استفاده می شود که وضوح زمانی (قابلیت مشاهده تغییرات نمونه در طول زمان) را به شدت افزایش می دهد.

برخلاف میکروسکوپ‌های سنتی که کیفیت تصویر به سرعت شاتر دوربین بستگی دارد، وضوح در این میکروسکوپ‌های الکترونی پیشرفته با طول مدت پالس‌های الکترونی تعیین می‌شود.

اصل ساده: پالس سریع تر، تصویر واضح تر

میکروسکوپ های الکترونی فوق سریع قبلی با ارسال یک سری پالس های الکترونی با سرعت های اندازه گیری شده در آتوثانیه (یک پنجم تریلیونم ثانیه) کار می کردند. این پالس ها تصاویر متوالی مانند فریم های فیلم را ایجاد می کردند. اما تغییرات سریع و تعاملات درون الکترون بین این چارچوب‌ها همچنان مرموز است.

اکنون، برای اولین بار، محققان دانشگاه آریزونا یک پالس الکترونی آتوثانیه ای تولید کرده اند که یک الکترون را در حالت ثابت، مطابق با سرعت حرکت الکترون ها، می گیرد. این پیشرفت وضوح زمانی میکروسکوپ را افزایش می دهد. درست مانند دوربینی با سرعت بالا که از چیزی که معمولاً قابل مشاهده نیست عکس می گیرد.

بسط نظریه برنده جایزه نوبل

حسن و تیمش بر اساس کار پیر آگوستینی، فرانس کراوس و آن لویلیه که برنده جایزه نوبل فیزیک 2023 شدند، اولین پالس پرتو فرابنفش شدید را تولید کردند که به اندازه کافی کوتاه بود که در آتوثانیه اندازه گیری شود.

کار بزرگ این سه دانشمند امکان ردیابی حرکت یک الکترون را در زمان واقعی با استفاده از پالس های نوری آتوثانیه ای فراهم کرد. حسن در این خصوص گفت: کار ما در گرو تلاش این دانشمندان است که با تولید اولین پالس‌های الکترونی آتوثانیه و گسترش آن‌ها، امکان مشاهده حرکت الکترون‌ها در فضا و زمان به صورت همزمان فراهم می‌شود.

میکروسکوپ چگونه کار می کند؟

بنابراین، محققان دانشگاه آریزونا یک میکروسکوپ پیچیده ساخته اند که از یک لیزر قدرتمند استفاده می کند که به دو قسمت تقسیم می شود: یک پالس الکترونی فوق سریع و دو پالس نوری فوق کوتاه.

اولین پالس نور، که به عنوان “پمپ پالس” شناخته می شود، انرژی را به نمونه تزریق می کند و باعث حرکت الکترون ها یا سایر تغییرات سریع می شود. پالس دوم که “پالس دروازه نوری” نام دارد، با ایجاد یک پنجره زمانی کوتاه که طی آن یک پالس الکترونی آتوثانیه تولید می شود، به عنوان یک دروازه عمل می کند. زمان این پالس دروازه ای وضوح تصویر حاصل را تعیین می کند.

با همگام سازی این دو پالس، محققان به طور دقیق زمان تعامل پالس های الکترونی با نمونه را کنترل می کنند، بنابراین فرآیندهای فوق سریع را در سطح اتمی ثبت و نظارت می کنند.

میکروسکوپ اتمی، علم مواد، علوم شیمیایی و بیولوژیکی

حسن درباره اهمیت این دستاورد بزرگ و در پاسخ به این سوال که چگونه این میکروسکوپ به ما اجازه می‌دهد چیزهایی را ببینیم که قبلاً نمی‌توانستیم ببینیم، گفت: میکروسکوپ شکل ساختار یک ماده را به دینامیک الکترونی آن پیوند می‌دهد که به ما امکان می‌دهد. برای تصویر کردن آن.” با کنترل جریان الکترون، امکان توسعه الکترونیکی که میدان لیزری را دارد میلیون‌ها برابر سریع‌تر از الکترون‌های فعلی با ابعادی به کوچکی چند نانومتر است.

وی ادامه داد: کاربرد میکروسکوپ اتمی تنها محدود به مهندسی نیست، بلکه می توان از آن در شیمی و زیست شناسی نیز استفاده کرد. این توانایی جدید به ما اجازه می دهد تا به انتظار طولانی مدت برای کنترل واکنش های شیمیایی پایان دهیم.

سرپرست این تیم در خصوص کاربرد این میکروسکوپ در علوم زیستی گفت: میکروسکوپ اتمسفر برای رصد حرکت الکترون‌ها در مولکول‌ها و نمونه‌های بیولوژیکی نیز مفید است این امر در واقع راه را برای پیشرفت علمی و فناوری بیشتر هموار می کند.

استفاده از فناوری در علوم کاربردی

اما سوال اینجاست که این میکروسکوپ چه کاربردهایی در فناوری قابل استفاده دارد؟ حسن گفت: «نمونه بارز این موضوع این است که چگونه ما از تصویربرداری میکروسکوپی اتمی از حرکت الکترون در گرافن یاد گرفته‌ایم که سوئیچ‌های جریان آتوثانیه‌ای مبتنی بر گرافن و اپتوالکترونیک فوق‌العاده سریع ایجاد کنیم.

این به معنای توسعه سریع (حدود شش برابر سریعتر) فوتو ترانزیستورها، الکترونیک امواج نوری و کامپیوترهای کوانتومی فوتونیک است. حسن در پاسخ به این سوال که چگونه این پیشرفت در ماهیت فیزیک کوانتومی اعمال می شود و چرا باید حرکت الکترون را تماشا کرد، گفت: “این یک سوال مهم است که ما در تلاشیم تا رفتار کوانتومی حرکت الکترون را از منظر ایستا درک کنیم.” میکروسکوپ اتمی درگاه جدیدی را در زمان برای ما باز می کند تا ببینیم “درک رفتار کوانتومی الکترون ها در زمان و مکان واقعی، در عین حال می تواند به عنوان یک دوربین کوانتومی برای عکاسی از این دنیای اسرارآمیز عمل کند.”

منبع: Interesting Engineering

58321