Представьте возможность наблюдать за движениями электронов в режиме реального времени с невероятной точностью, фиксируя их на мельчайших уровнях материи. Благодаря недавнему прорыву в электронной микроскопии это стало возможным. Ученые из Университета Аризоны создали самый быстрый в мире микроскоп, способный регистрировать движения электронов с временной разрешающей способностью в аттосекундах. Эта технология позволит глубже понять квантовое поведение материи и ускорить разработку новых материалов.
Это технологическое достижение основано на использовании сверхбыстрых электронных импульсов, обеспечивающих наблюдение движения электронов с исключительной точностью. При покупке новой версии смартфона качество камеры чаще всего улучшается по сравнению с предыдущими моделями. «— говорит доктор Мохаммед Хассан, профессор физики и оптических наук, в сообщении для прессы Аризонского университета. Этот электронный микроскоп подобен очень мощной камере в последнем смартфоне; он позволяет делать снимки того, чего раньше не было видно — например, электронов. С помощью этого микроскопа научное сообщество надеется понять квантовую физику, лежащую в основе поведения и движения электронов. «, — добавляет он.
В новом микроскопе применяют двойной световой импульс: первый, называемый «импульсом накачки», возбуждает электроны в образце, а второй, точно синхронизированный импульс, фиксирует движущиеся электроны. Такой метод позволяет получать изображения с временной шкалой 625 аттосекунд (625 миллиардных долей миллиардной доли секунды), что является заметным прогрессом по сравнению с предыдущими методами.
Чтобы построить устройство, учёные применили мощный лазер, разделив его на две части: одна из них испускает очень быстрый импульс электронов, другая — два сверхкоротких импульса света. Первый световой импульс, известный как «импульс накачки», поставляет энергию образцу, вызывая движение электронов или другие стремительные изменения. Второй импульс света, называемый «импульсом оптического затвора», формирует короткий промежуток времени, в течение которого генерируется аттосекундный импульс электронов.
Тщательно синхронизировав эти два импульса, учёные управляют моментом, когда электронные импульсы исследуют образец, что позволяет наблюдать сверхбыстрые процессы на атомном уровне.
Подобно затвору фотоаппарата, эти импульсы позволяют получать новое изображение электронов в листе графена каждые 625 аттосекунд, что приблизительно в тысячу раз быстрее, чем при применении существующих методов.
Перспективные применения в различных областях
Применение этой технологии перспективно и многогранно. В физике она позволит глубже понять взаимодействия между электронами и электромагнитными полями. В химии поможет изучать химические реакции, прямо показывая движение электронов в процессе.
Исследование, опубликованное в журнале Новая технология микроскопии связывает движение электронов со структурной динамикой вещества в режиме реального времени. Теперь ученые могут наблюдать и анализировать явления, происходящие слишком быстро для предыдущих технологий. В биоинженерии это позволяет наблюдать за биологическими процессами в молекулярном масштабе, что может привести к открытиям о работе клеток и биологических молекул.
Эта технология пригодится не только в фундаментальных исследованиях. Её можно использовать в промышленности и прикладных науках. Электронные микроскопы уже применяются для изучения структуры и состава материалов, но новая технология позволит сделать эти анализы точнее и быстрее.
Как и любая новая технология, это открытие имеет свои сложности. Для его реализации пока требуется сложное и дорогостоящее оборудование, а также особая подготовка специалистов. Кроме того, манипуляции с образцами в столь короткие сроки вызывают значительные технические трудности. Повышение временного разрешения в электронных микроскопах – давняя мечта множества исследовательских групп. И это понятно: всем хочется наблюдать за движением электронов. «, — говорит Хассан в пресс-релизе.
В медицинской сфере данная технология даст возможность исследователям изучать движение электронов в ДНК. По мнению Хассана, эти сведения могут способствовать разработке новых материалов или лекарственных средств индивидуального подхода.