Cel mai rapid microscop din lume poate vedea electronii în mișcare

Oamenii de știință au creat cel mai rapid microscop din lume, cu speranța că acesta va răspunde la întrebări fundamentale despre comportamentul electronilor.

Fizicienii au dezvoltat un microscop atât de rapid încât poate detecta mișcarea electronilor în timp real. Noul dispozitiv, o versiune îmbunătățită a microscopului electronic cu transmisie, capturează imagini ale electronilor în mișcare, folosind impulsuri electronice cu o durată de doar o cvintilionime de secundă.

Ce poate dezvălui cel mai rapid microscop din lume

Aceasta este o realizare remarcabilă, având în vedere că electronii se deplasează la o viteză de aproximativ 2.200 de kilometri pe secundă, suficient de rapid pentru a înconjura Pământul în doar 18,4 secunde.^[sursa]

Folosind acest microscop pentru a studia particulele subatomice, cercetătorii speră să facă noi descoperiri despre modul în care electronii își desfășoară mișcările complexe. Rezultatele acestor cercetări au fost publicate pe 21 august în revista Science Advances.

„Acest microscop electronic de transmisie este comparabil cu o cameră foto extrem de performantă din cea mai nouă generație de telefoane inteligente; ne permite să capturăm imagini ale unor fenomene pe care nu le-am putut observa anterior – cum ar fi mișcarea electronilor. Prin utilizarea acestui microscop, sperăm că comunitatea științifică va putea înțelege mai profund fizica cuantică din spatele comportamentului și mișcării electronilor.”, a explicat Mohammed Hassan, profesor asociat de fizică și științe optice la Universitatea din Arizona, și autor principal al studiului.^[sursa]

Modul în care electronii se organizează și se rearanjează în interiorul atomilor și moleculelor este o problemă fundamentală atât în fizică, cât și în chimie. Totuși, natura extrem de rapidă a acestor particule face studiul lor incredibil de dificil.

Pentru a surprinde mișcările electronilor, fizicienii au dezvoltat la începutul anilor 2000 metode de generare a unor impulsuri extrem de scurte de attosecunde (1×10^-18 secunde) – un progres care a fost recunoscut cu Premiul Nobel pentru Fizică în anul 2023.

Prin reducerea timpului de expunere al microscoapelor la scara câtorva attosecunde (o attosecundă fiind pentru o secundă ceea ce este o secundă pentru vârsta Universului), fizicienii au reușit să studieze modul în care electronii transportă sarcina, comportamentul lor în interiorul semiconductorilor și apei lichide și cum se rup legăturile chimice dintre atomi.^[studiu]

Cu toate acestea, chiar și această scara de câteva attosecunde este prea mare pentru a surprinde mișcările individuale ale electronilor. Pentru a depăși această limitare, fizicienii implicați în noul studiu au modificat un tun de electroni până când au obținut un puls de doar o attosecundă.

Aceste impulsuri lovesc „eșantionul” studiat, iar pe măsură ce electronii trec prin el, încetinesc și modifică forma frontului de undă al fasciculului de electroni. Fasciculul încetinit este apoi mărit de o lentilă și proiectat pe un material fluorescent care emite lumină atunci când fasciculul îl atinge.

Prin sincronizarea precisă a impulsurilor electronice cu două impulsuri de lumină (unul pentru a excita electronii din material și altul pentru a genera impulsul de electroni), cercetătorii au reușit să investigheze mișcările ultrarapide ale electronilor din interiorul atomilor.

„Am reușit să obținem o rezoluție temporală la nivel de attosecunde cu microscopul nostru cu transmisie de electroni – o tehnică pe care am denumit-o «attomicroscopie». Pentru prima dată, putem observa mișcarea fragmentelor de electroni.”, a adăugat profesorul Mohammed Hassan.