Ученые из Университета Аризоны добились значительного успеха в области микроскопии, создав самый быстрый в мире электронный микроскоп. Этот прибор может запечатлевать стоп-кадры движущихся электронов, что открывает возможности для революционных открытий в физике, химии, биоинженерии, материаловедении и других дисциплинах.
«Как новая версия смартфона обладает улучшенной камерой, так и наш электронный микроскоп является аналогом мощной камеры, способной фиксировать то, что ранее было недоступно, например, электроны. С помощью этого микроскопа мы надеемся, что научное сообщество сможет глубже понять квантовую физику, лежащую в основе движения электрона», — прокомментировал Мохаммед Хассан, доцент кафедры физики и оптических наук Университета Аризоны.
Коллектив исследователей под руководством Хассана, включающий Николая Голубева, Дандана Хуэя, Хусейна Алькаттана и Мохамеда Сеннари, опубликовал свою статью под названием «Аттосекундная электронная микроскопия и дифракция» в журнале Science Advances.
Прорыв этой команды основан на использовании просвечивающего электронного микроскопа, который позволяет увеличивать объекты в миллионы раз, делая видимыми мельчайшие детали, невидимые традиционным световым микроскопом. В отличие от последних, этот микроскоп использует пучки электронов, пропускаемые через образец, и создаёт изображения благодаря взаимодействию электронов с образцом, которое фиксируется линзами и детектором.
Электронные микроскопы с высоким временным разрешением, полагающиеся на указанные принципы, появились в 2000-х годах, с использованием лазеров для генерации импульсных пучков электронов. Эта технология значительно улучшает временное разрешение микроскопа, позволяя наблюдать за изменениями в образце в реальном времени. Ключевую роль здесь играет длительность электронных импульсов, а не скорость затвора камеры.
Исследовательская группа Университета Аризоны основывалась на достижениях лауреатов Нобелевской премии по физике 2023 года Пьера Агостини, Ференца Крауса и Анн Л’Юйер, разработавших первый импульс экстремального ультрафиолетового излучения с длительностью в аттосекунды (10−18 секунды). Опираясь на эти работы, они создали микроскоп, где мощный лазер разделяется на очень быстрый электронный импульс и два сверхкоротких световых импульса.
Первый световой импульс, известный как «импульс накачки», подаёт энергию в образец, инициируя движение электронов или другие быстрые изменения. Второй световой импульс, называемый «оптическим стробирующим импульсом», создает короткое окно времени для формирования единичного аттосекундного электронного импульса. Скорость стробирующего импульса определяет разрешение изображений. Точное синхронизирование обоих импульсов позволяет исследователям фиксировать момент, когда электронные импульсы взаимодействуют с образцом, чтобы наблюдать атомные процессы.
«Достижение высокого временного разрешения в электронных микроскопах было давней целью многих исследователей, так как все мы стремимся увидеть движение электронов. Теперь, впервые, мы достигли аттосекундного временного разрешения с нашим просвечивающим электронным микроскопом, что мы назвали «аттомикроскопией». Это позволяет нам наблюдать за частями электрона в движении», — пояснил Хассан.
Источник: iXBT
