Физики из Университета Аризоны добились значительного прорыва в изображении субатомного мира. Они разработали самый быстрый в мире электронный микроскоп, способный фиксировать события, длящиеся всего одну аттосекунду — квинтиллионную долю секунды.

Эти передовые инструменты жизненно важны для изучения сверхбыстрых процессов. «Аттомикроскоп» работает в масштабах, которые затмевают даже самые быстрые камеры. По сути, он останавливает время для наблюдения за событиями на уровне частиц, включая движущиеся электроны. Аттосекунда — это ошеломляюще короткий момент: в одной секунде столько же аттосекунд, сколько секунд в 31,7 миллиарда лет.

Набирая темп

Электронные микроскопы увеличивают объекты, направляя лучи электронов через образец. Но традиционно они ограничены в том, как фиксировать движение. Объективы камеры фиксируют взаимодействие между электронами и образцом, а датчик камеры обнаруживает это и создает подробные изображения образца.

Хотя прошлые инновации позволяли ученым наблюдать за поведением электронов с течением времени, им все еще не хватало важных деталей. Это был микроскопический эквивалент просмотра фильма в замедленном режиме, но с раздражающими пропущенными кадрами между ними.

До сих пор самое короткое событие, когда-либо зарегистрированное, длилось 43 аттосекунды. Это достижение ранее описывалось как «самое короткое контролируемое событие, когда-либо созданное человечеством». Однако команда Университета Аризоны теперь превзошла это, достигнув беспрецедентного разрешения в одну аттосекунду. Чем быстрее пульс, тем лучше качество изображения.

«Когда вы получаете последнюю версию смартфона, он оснащен лучшей камерой», — сказал доцент Мохаммед Хасан. «Этот трансмиссионный электронный микроскоп похож на очень мощную камеру в последней версии смартфона; это позволяет нам фотографировать то, что мы раньше не могли видеть, например, электроны. Мы надеемся, что с помощью этого микроскопа научное сообщество сможет понять квантовую физику того, как ведет себя электрон и как он движется».

Исследование основано на работе Пьера Агостини, Ференца Крауса и Анны Л’Юлье, получивших Нобелевскую премию 2023 года, которые первыми создали ультракороткие световые импульсы в аттосекундном диапазоне. Совершенствуя эти методы и применяя их к электронной микроскопии, команда Университета Аризоны открыла новый рубеж в области научных изображений.

Скачок вперед в микроскопии

Их аттосекундная система включает в себя мощный лазер, разделенный на две составляющие: импульс быстрых электронов и два ультракоротких световых импульса. Первый световой импульс, называемый импульсом накачки, заряжает образец, вызывая движение электронов или другие быстрые изменения. Второй импульс, известный как оптический стробирующий импульс, создает короткое окно для генерации одного аттосекундного электронного импульса. Время подачи этого стробирующего импульса определяет разрешение изображения. Точная синхронизация этих импульсов позволяет исследователям контролировать, когда электронные импульсы исследуют образец, что позволяет им наблюдать сверхбыстрые процессы на атомном уровне.

Это достижение может повлиять на широкий спектр областей: от физики и химии до материаловедения и биоинженерии. Предоставляя беспрецедентное представление о поведении электронов, микроскоп может открыть новые возможности для понимания квантовой механики, разработки новых материалов и даже биологических процессов на молекулярном уровне.

«Улучшение временного разрешения внутри электронных микроскопов давно ожидаемо и находится в центре внимания многих исследовательских групп, потому что мы все хотим видеть движение электронов», — сказал Хассан. «Эти движения происходят за аттосекунды. Но теперь мы впервые можем достичь аттосекундного временного разрешения с помощью нашего электронного трансмиссионного микроскопа — и мы назвали это «атомикроскопией». Впервые мы можем увидеть движущиеся части электрона».

Результаты появились в журнале Достижения науки .