دانشمندان سریع‌ترین میکروسکوپ الکترونی جهان با بیشترین وضوح را ساختند_سیاه پوش

دانشمندان دانشگاه آریزونا موفق به ساخت سریع‌ترین میکروسکوپ الکترونی جهان شده‌اند. این دستگاه پیشرفته قادر است تصاویر لحظه‌ای از حرکت الکترون‌ها را با وضوحی بی‌نظیر ثبت کند. انتظار می‌رود این نوآوری تحولی عظیم در حوزه‌های فیزیک، شیمی، بیوفناوری، علوم مواد و دیگر رشته‌های مرتبط تشکیل نماید.

میکروسکوپ‌های الکترونی فوق‌سریع که برای نخستین بار در دهه ۲۰۰۰ معارفه شدند، از لیزر برای تشکیل پرتوهای الکترونی پالسی منفعت گیری می‌کنند. این فناوری، وضوح وقتی دستگاه را به طور چشمگیری افزایش داده و امکان مشاهده تغییرات سریع در نمونه را فراهم می‌آورد. برخلاف میکروسکوپ‌های سنتی که کیفیت عکس به شدت شاتر دوربین وابسته است، در این نوع میکروسکوپ‌ها، وضوح عکس به زمان زمان پالس‌های الکترونی بستگی دارد. اصل کار زیاد ساده است: هرچه زمان زمان پالس مختصر‌تر باشد، وضوح عکس بالاتر خواهد می بود.

در نسل قبلی میکروسکوپ‌های الکترونی فوق‌سریع، از مجموعه‌ای از پالس‌های الکترونی با زمان زمان آتوثانیه (یک کوینتیلیونیم ثانیه) منفعت گیری می‌شد. این پالس‌ها تصاویری متوالی شبیه فریم‌های یک فیلم تشکیل می‌کردند؛ اما تغییرات سریع الکترون‌ها بین این فریم‌ها قابل مشاهده نبوده است. در این پژوهش، دانشمندان دانشگاه آریزونا برای اولین بار موفق به تشکیل یک پالس تک الکترونی آتوثانیه شدند که قادر است حرکت الکترون را در یک لحظه ثابت ثبت کند. این پیشرفت، وضوح وقتی میکروسکوپ را به طور قابل توجهی افزایش داده و امکان مشاهده رویدادهای فوق‌سریع را فراهم می‌آورد، همانند یک دوربین پرسرعت که لحظاتی را ثبت می‌کند که با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیستند.

حسن و تیم تحقیقاتی وی، تحقیقات خود را بر پایه پژوهش‌های برنده جایزه نوبل پیر آگوستینی، فرنس کراوز و آن لویییر بنا نهاده‌اند. این سه دانشمند در سال ۲۰۲۳ به علت تشکیل اولین پالس تابش فرابنفش شدید با زمان زمان آتوثانیه، موفق به کسب جایزه نوبل فیزیک شدند. حسن در این خصوص اظهار داشت: «تحقیقات این سه دانشمند پیشگام، به ما امکان داد تا حرکت الکترون را به طور لحظه‌ای با منفعت گیری از پالس‌های نوری آتوثانیه ردیابی کنیم. پژوهش ما بر پایه این دستاوردها بنا شده و با تشکیل اولین پالس‌های الکترونی آتوثانیه، توانایی مشاهده همزمان حرکت الکترون در فضا و زمان را فراهم آورده است.»

در این میکروسکوپ پیشرفته، از یک لیزر قوی منفعت گیری می‌بشود که به دو جزء تقسیم می‌بشود: یک پالس الکترونی زیاد سریع و دو پالس نور فوق‌مختصر. پالس اول که به گفتن «پالس پمپ» شناخته می‌بشود، به نمونه انرژی داده و علتایجاد تغییرات سریع در الکترون‌ها می‌بشود. پالس دوم که «پالس گیت نوری» نام دارد، با تشکیل یک پنجره وقتی زیاد مختصر، امکان تشکیل یک پالس تک الکترونی آتوثانیه را فراهم می‌آورد. زمان زمان این پنجره وقتی، وضوح عکس نهایی را تعیین می‌کند.

با همگام‌سازی دقیق این دو پالس، محققان می‌توانند زمان تعامل پالس‌های الکترونی با نمونه را به دقت کنترل کنند و در نتیجه، فرآیندهای فوق‌سریع در سطح اتمی را ثبت و مشاهده نمایند.