Самый быстрый в мире микроскоп фиксирует движение электронов за аттосекунды
Наша способность отображать субатомный мир ограничена не только разрешением, но и скоростью. Частицы, из которых состоят атомы (и летают свободно от них), теоретически могут двигаться со скоростями, приближающимися к скорости света.
На практике они часто движутся гораздо медленнее, но даже эти более медленные скорости слишком велики. быстро, чтобы наши глаза или технологии могли увидеть. Это сделало наблюдение за поведением электронов довольно сложной задачей, но теперь разработка нового метода визуализации под микроскопом позволила ученым поймать их в движении в режиме реального времени.
Это работа команды ученых физики из Университета Аризоны в Тусоне под руководством Дандана Хуэя и Хусейна Алькаттана, и он может делать изображения с аттосекундной скоростью; это квинтиллионная доля секунды. Они назвали этот метод атоммикроскопией.
«Улучшение временного разрешения внутри электронных микроскопов давно ожидалось и было в центре внимания многих исследовательских групп, потому что мы все хотим видеть движение электронов», — говорит физик. Мохаммед Хассан из Университета Аризоны в Тусоне.
«Эти движения происходят за аттосекунды. Но теперь, впервые, мы можем достичь аттосекундного временного разрешения с помощью нашего электронного трансмиссионного микроскопа – и мы это придумали». атоммикроскопия». Впервые мы можем увидеть движущиеся части электрона».
Просвечивающая электронная микроскопия, или ПЭМ, – это метод, используемый для создания изображений мельчайших структур физического мира. Для создания изображения он полагается на электроны, а не на свет. Пучок электронов пропускается через образец материала; именно взаимодействие между электронами и образцом создает изображение. Например, ниже показано TEM-изображение лейкоцитов.
Вместо выдержки обычной камеры TEM зависит от скорости лазерных импульсов, по которым передаются электроны. . Чем меньше длительность лазерных импульсов, тем лучше получаемое изображение. Итак, если вам нужно лучшее качество изображения, способ добиться этого — разработать лазер, который может излучать более короткие импульсы.
Раньше TEM-лазеры достигали длительности в несколько аттосекунд, испускаемых последовательно, немного похоже на короткий всплеск помех.
Это совершенно замечательное достижение, достойное Нобелевской премии; но проблема в том, что, хотя при этом создается серия изображений, электроны движутся немного быстрее – поэтому изменения в электроне между импульсами были потеряны.
Исследователи хотели посмотреть, смогут ли они найти способ чтобы сократить продолжительность импульсного луча до аттосекунды (скорости, с которой движутся электроны в луче), что позволяет ПЭМ захватывать их в режиме стоп-кадра.
Прорыв был достигнут за счет разделения импульса на три части: два световых импульса и электронный импульс. Первый световой импульс называется импульсом накачки. Он вводит энергию в образец графена, что заставляет электроны двигаться.
За этим следует второй световой импульс, или импульс затвора, который создает затвор или окно. Пока он «открыт», на образец подается одиночный аттосекундный электронный импульс, и фиксируются субатомные процессы с аттосекундной скоростью.
Результатом является точная карта динамики электронов — карта, которая открывается дверь к новым исследованиям поведения этих важных частиц.
«Этот трансмиссионный электронный микроскоп похож на очень мощную камеру в последней версии смартфона; он позволяет нам делать снимки вещей, которые мы раньше не могли видеть — как электроны», — говорит Хассан.
«Мы надеемся, что с помощью этого микроскопа научное сообщество сможет понять квантовую физику того, как ведет себя электрон и как он движется».
Исследование была опубликована в журнале Science Advances.
