Создан самый быстрый в мире микроскоп: он может наблюдать за движением электронов

Представьте, что вы можете наблюдать за мельчайшими частицами материи, фиксируя движение электронов в режиме реального времени, и делать это с невиданной ранее точностью. Теперь это стало возможным благодаря недавнему прорыву в области электронной микроскопии. Исследователи из Университета Аризоны разработали самый быстрый в мире микроскоп, способный фиксировать движение электронов — в аттосекундном масштабе времени. Эта технология в конечном итоге позволит нам узнать больше о квантовом поведении материи и ускорить разработку новых материалов.

В основе этого технологического достижения лежит использование сверхбыстрых электронных импульсов, позволяющих наблюдать за движением электронов с непревзойденной точностью. «Когда вы приобретаете последнюю версию смартфона, камера обычно становится лучше, чем раньше«, — объясняет доктор Мохаммед Хассан, профессор физики и оптических наук, в пресс-релизе Аризонского университета. «Этот электронный микроскоп — как очень мощная камера в последней версии смартфона; он позволяет нам делать снимки того, что 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 электронов«, — добавляет он.

В новом микроскопе используется двойной световой импульс, где первый импульс, называемый «импульсом накачки», возбуждает электроны в образце, а второй, точно синхронизированный импульс, фиксирует движущиеся электроны. Этот метод позволяет получать изображения с временной шкалой в 625 аттосекунд (или 625 миллиардных долей миллиардной доли секунды), что является значительным прогрессом по сравнению с предыдущими методами.

Для создания устройства исследователи использовали мощный лазер, который они разделили на две части: одна излучает очень быстрый импульс электронов, а другая — два сверхкоротких импульса света. Первый световой импульс, известный как «импульс накачки», подает энергию на образец, вызывая движение электронов или другие быстрые изменения. Второй импульс света, называемый «импульсом оптического затвора», создает короткий промежуток времени, в течение которого генерируется аттосекундный импульс электронов. Тщательно синхронизируя эти два импульса, исследователи контролируют момент, в который электронные импульсы прощупывают образец, что позволяет наблюдать сверхбыстрые процессы на атомном уровне.

Подобно затвору фотоаппарата, эти импульсы позволяли им получать новое изображение электронов в листе графена каждые 625 аттосекунд, что примерно в тысячу раз быстрее, чем при использовании существующих методов.

Перспективные применения в различных областях

Потенциальные возможности применения этой технологии обширны и многообещающи. В физике она может обеспечить лучшее понимание фундаментальных взаимодействий между электронами и электромагнитными полями. В химии она может существенно помочь в изучении химических реакций, обеспечивая прямую визуализацию электронных движений во время реакций.

Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, также объясняет, как новая технология микроскопии позволяет напрямую связать движение электронов со структурной динамикой вещества в режиме реального времени. Это означает, что теперь ученые могут наблюдать и анализировать явления, которые происходят слишком быстро, чтобы их можно было обнаружить с помощью предыдущих технологий. В биоинженерии эта технология может быть использована для наблюдения за биологическими процессами в молекулярном масштабе, что может привести к открытиям о том, как работают клетки и биологические молекулы.

Конечно, возможности этой технологии не ограничиваются фундаментальными исследованиями. Она также может найти практическое применение в промышленности и прикладных исследованиях. Электронные микроскопы уже широко используются для изучения структуры и состава материалов, а новая технология может значительно повысить точность и скорость таких анализов.

Однако, как и любая новая технология, это достижение также сопряжено с трудностями. Для начала, по крайней мере на данный момент, для ее реализации требуется сложное и дорогостоящее оборудование, а также специальная подготовка исследователей. Более того, манипуляции с образцами в столь короткие сроки создают значительные технические трудности. «Улучшение временного разрешения в электронных микроскопах давно ожидается и является предметом внимания многих исследовательских групп, ведь мы все хотим видеть движение электронов«, — говорит Хассан в пресс-релизе.

В области медицины эта технология может позволить исследователям изучать движение электронов в ДНК. По словам Хассана, эта информация может помочь в создании новых материалов или персонализированных лекарств.