دانشمندان سریع‌ترین تصاویر جهان از اتم‌ها را ثبت کردند
دانشمندان دانشگاه «آریزونا» سریع‌ترین میکروسکوپ الکترونی جهان را ساخته‌اند که می‌تواند حرکت الکترون‌ها را با سرعت‌های بی‌سابقه‌ای ثبت کند.
این روش حیرت‌انگیز جدید که «اتومیکروسکوپ»(attomicroscopy) نامیده می‌شود، به محققان اجازه می‌دهد تا رفتار الکترون‌ها را در مقیاس‌های زمانی اندازه‌گیری شده در اتوثانیه مشاهده کنند. اتوثانیه واحدی از زمان است که به قدری کوتاه است که در یک ثانیه، تعدادی اتوثانیه وجود دارد. این واحد زمانی معادل ۱۸-۱۰ ثانیه است.
به نقل از اس‌اف، این پیشرفت که در مجله Science Advances منتشر شده است، نشان دهنده جهش قابل توجهی در توانایی ما برای مطالعه و درک رفتار اساسی ماده در مقیاس اتمی است. پیامدهای این پیشرفت بسیار فراتر از قلمرو علم محض است و به طور بالقوه زمینه‌های مختلفی از علم مواد گرفته تا محاسبات کوانتومی را متحول می‌کند.
در قلب این نوآوری یک میکروسکوپ الکترونی عبوری اصلاح شده(TEM) است که از پالس‌های لیزری فوق سریع برای دستکاری الکترون‌ها استفاده می‌کند. با کنترل دقیق این پالس‌های لیزری، محققان توانستند فوران‌های بسیار کوتاهی از الکترون‌ها ایجاد کنند که تنها کسری از فمتوثانیه طول می‌کشد.
محمد حسن، محقق ارشد، دانشیار فیزیک و علوم نوری در دانشگاه آریزونا، در بیانیه‌ای می‌گوید: با این میکروسکوپ، ما امیدواریم که جامعه علمی بتواند فیزیک کوانتومی را که در پس رفتار یک الکترون و نحوه حرکت یک الکترون است، درک کند.
این گروه برای نشان دادن قابلیت‌های روش جدید خود، از اتومیکروسکوپ برای مطالعه رفتار الکترون‌ها در گرافن، ماده‌ای متشکل از یک لایه واحد از اتم‌های کربن که در یک الگوی لانه زنبوری قرار گرفته‌اند، استفاده کردند. گرافن در سال‌های اخیر به دلیل خواص الکتریکی و مکانیکی منحصر به فرد خود توجه زیادی را به خود جلب کرده است و آن را به موضوعی ایده‌آل برای این تحقیقات پیشگامانه تبدیل کرده است.
آزمایش‌ها نشان داد که وقتی الکترون‌های گرافن در معرض پالس‌های لیزری شدید قرار می‌گیرند، رفتارهایی دارند که پیش از این مشاهده مستقیم آن غیرممکن بود. محققان توانستند حرکت این الکترون‌ها را هنگام پاسخ به میدان الکتریکی لیزر، که بین حالت‌های انرژی مختلف و در سراسر ساختار ماده حرکت می‌کنند، ردیابی کنند.
یکی از قابل توجه‌ترین یافته‌ها مشاهده این بود که الکترون‌های گرافن با چه سرعتی می‌توانند به محرک‌های خارجی پاسخ دهند. این مطالعه نشان داد که این الکترون‌ها می‌توانند در کمتر از یک فمتوثانیه به تغییرات میدان لیزر واکنش نشان دهند و این پتانسیل دستگاه‌های الکترونیکی فوق‌سریع را نشان می‌دهد که می‌توانند با سرعتی بسیار فراتر از آنچه در حال حاضر ممکن است کار کنند.
این سطح از جزئیات در مشاهده رفتار الکترون پیش از این به دست نیامده بود و راه‌های جدیدی را برای درک و کنترل بالقوه جهان کوانتومی باز می‌کند. توانایی تماشای حرکت الکترون‌ها در لحظه می‌تواند منجر به پیشرفت‌هایی در زمینه‌هایی مانند تبدیل انرژی خورشیدی شود، جایی که درک رفتار دقیق الکترون‌ها برای بهبود کارایی بسیار مهم است.
توسعه اتومیکروسکوپ به خودی خود یک دستاورد فنی قابل توجه است. محققان برای ایجاد و کنترل پالس‌های الکترونی در چنین بازه‌های زمانی کوتاهی مجبور بودند بر چالش‌های متعددی غلبه کنند.
حسن و همکارانش کار خود را بر اساس دستاوردهای برنده جایزه نوبل پیر آگوستینی(Pierre Agostini)، فرنس کراوس(Ferenc Krausz) و آن لوهیلیر(Anne L’Huilliere)، که در سال ۲۰۲۳ پس از تولید اولین پالس تابش فرابنفش شدید که می‌توان آن را در اتوثانیه اندازه‌گیری کرد، برنده جایزه نوبل فیزیک شد، انجام دادند.
در حالی که این تحقیق نشان دهنده یک گام مهم رو به جلو است، مهم است که توجه داشته باشیم که حوزه علم اتوثانیه هنوز در مراحل ابتدایی خود است. مانند هر روش علمی جدید، قبل از اینکه اتومیکروسکوپ به یک ابزار پرکاربرد تبدیل شود، اصلاح و اعتبار سنجی بیشتر ضروری است. با این حال، کاربردهای بالقوه آن بسیار گسترده است، و این پیشرفت، فرصت‌های هیجان‌انگیز جدیدی را برای کاوش در دنیای کوانتومی با جزئیات بی‌سابقه ممکن می‌کند.
