سریع‌ترین میکروسکوپ الکترونی جهان ساخته شد

فناوری تصویربرداری انسانی از زمان پیدایش خود به شدت تکامل یافته است. اما ثبت حرکت الکترون ها کار ساده ای نیست. این الکترون با سرعت 2200 کیلومتر در ثانیه حرکت می کند، یعنی می تواند به طور کامل تنها در 18.4 ثانیه به دور زمین بچرخد. حالا تصور کنید یک دوربین فوق‌العاده قدرتمند دارید که می‌تواند الکترون‌ها را هنگام حرکت با چنین سرعتی باورنکردنی ضبط کند. این دقیقا همان چیزی است که محققان دانشگاه آریزونا با ساخت سریع ترین میکروسکوپ جهان به آن دست یافتند.

سریع ترین میکروسکوپ جهان می تواند الکترون ها را در یک لحظه جذب کند

به گزارش گجت نیوز، محققان آمریکایی بر این باورند که با استفاده از این میکروسکوپ می توان انتظار پیشرفت خارق العاده ای در زمینه های فیزیک، شیمی، مهندسی زیستی، مهندسی مواد و … داشت. محمد حسن، استاد فیزیک و علوم نوری در دانشگاه آریزونا و سرپرست تیم تحقیقاتی، این دستاورد جدید را با آخرین نسخه گوشی هوشمند مقایسه می‌کند. او تأیید می کند که مردم هنگام خرید آخرین مدل گوشی، انتظار دوربین قوی تری دارند.

آنها همچنین نسخه جدیدی از میکروسکوپ الکترونی عبوری را با دوربین قدرتمندتری توسعه داده اند. با این تفاوت که این دوربین می تواند از چیزهایی عکس بگیرد که قبلا امکان عکاسی وجود نداشت. با کمک سریعترین میکروسکوپ جهان، جامعه علمی قادر خواهد بود فیزیک کوانتومی را بر اساس نحوه رفتار و حرکت الکترون درک کند.

میکروسکوپ الکترونی عبوری ابزاری علمی است که به محققان اجازه می دهد اجسامی را میلیون ها برابر بزرگتر از ابعاد واقعی آنها ببینند. در این مورد جزئیات جدیدی فاش می شود که با میکروسکوپ های پیشرفته نمی توان به آنها دست یافت. در میکروسکوپ های الکترونی عبوری، به جای نور، پرتوی از الکترون ها به سمت نمونه مورد مطالعه تابش می شود. تعامل بین الکترون و نمونه توسط لنزها ثبت می شود و حسگر می تواند تصویری با جزئیات کامل را در اختیار شما قرار دهد.

این اولین بار در دهه اول قرن بیست و یکم بود که دانشمندان موفق به توسعه میکروسکوپ های الکترونی فوق سریع به این روش شدند. در این میکروسکوپ ها از لیزر برای تولید پرتوی الکترون استفاده می شد. چنین تکنیکی توانایی میکروسکوپ برای مشاهده و اندازه گیری تغییرات در نمونه را بسیار افزایش می دهد.

در پیشگامان سریع ترین میکروسکوپ جهان، به جای تکیه بر سرعت شاتر دوربین برای ثبت تصویری با کیفیت بالا، وضوح با طول پالس های الکترونی افزایش می یابد. به این ترتیب، هر چه پالس ها سریعتر باشند، تصویر بهتر است.

نسل های قبلی سریع ترین میکروسکوپ جهان از پالس های الکترونی تا چند میلی ثانیه استفاده می کردند. برای درک عظمت این میکروسکوپ ها باید به یاد داشته باشیم که هر اتو ثانیه معادل 10-18 ثانیه است. به عبارت دیگر، رابطه بین ثانیه خود به خود و دوم را می توان به عنوان رابطه بین دوم و 31.71 میلیارد سال تعریف کرد. پالس هایی با این سرعت مجموعه ای از تصاویر را ثبت می کنند. چیزی که می توان آن را شبیه به قاب های فیلم در نظر گرفت.

با وجود همه اینها، دانشمندان قادر به مشاهده برهمکنش ها و تغییراتی که بین قاب های الکترونی رخ می دهد، نبودند. در واقع امکان ثبت فوری وضعیت الکترون وجود نداشت. به منظور مشاهده الکترون در یک مکان خاص، محققان دانشگاه آریزونا سریع ترین میکروسکوپ جهان را ساختند که می تواند به طور خودکار در هر ثانیه پالس ایجاد کند. این کمیت دقیقا برابر با سرعت الکترون ها است و کیفیت تصویر را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد.

بنابراین ما چیزهایی را می بینیم که قبلاً نمی توانستیم ببینیم. حسن و همکارانش اعلام کردند که برای ساخت این دستگاه پیشرفته از دستاوردهای پیر آگوستینی، فرنک کراوس و آن لویلیه برندگان جایزه نوبل فیزیک 2023 استفاده کرده اند. استفاده از یافته های این دانشمندان به محققان دانشگاه آریزونا اجازه داد تا میکروسکوپ خود را با سبکی منحصر به فرد بسازند.

در این میکروسکوپ لیزر قدرتمند به دو قسمت (یک پالس الکترونی فوق سریع و دو پالس نوری بسیار کوتاه) تقسیم شده است. اولین پالس نوری انرژی را به نمونه تزریق می کند و باعث می شود الکترون ها دستخوش تغییرات سریع شوند. پالس نور دوم به عنوان یک دروازه عمل می کند و با ایجاد یک پنجره زمانی بسیار کوتاه اجازه ایجاد یک پالس الکترونی را می دهد. با همگام سازی دقیق این دو پالس، محققان می توانند فرآیندهای فوق العاده سریعی را که در سطح اتمی رخ می دهند، مشاهده کنند.

بسیاری از محققان منتظر بودند تا خبری از ساخت سریع ترین میکروسکوپ جهان با قابلیت ثبت حرکت الکترون ها در اخبار علمی منتشر شود. گروه های زیادی نیز در سرتاسر جهان روی این موضوع کار می کردند. اما در نهایت این محققان دانشگاه آریزونا بودند که توانستند به این هدف برسند. حتی در حال حاضر، کوچکترین حرکات الکترون ها را می توان مشاهده کرد.

این گروه از محققان بر این باورند که دستاورد جدید آنها می تواند انقلابی بزرگ در علوم مختلف ایجاد کند. به همین دلیل اصطلاح اتومیکروسکوپی را به عنوان کلیدواژه ای پیشنهاد کردند که در آینده بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد.