دانشمندان سریع‌ترین تصاویر جهان از اتم‌ها را ثبت کردند_بام وطن

این روش حیرت‌انگیز تازه که «اتومیکروسکوپ»(attomicroscopy) نامیده می‌شود، به محققان اجازه می‌دهد تا حرکت الکترون‌ها را در مقیاس‌های وقتی اندازه‌گیری شده در اتوثانیه مشاهده کنند. اتوثانیه واحدی از زمان است که به قدری مختصر است که در یک ثانیه، تعدادی اتوثانیه وجود دارد. این واحد وقتی معادل ۱۸-۱۰ ثانیه  است.

به نقل از اس‌اف، این پیشرفت که در مجله Science Advances انتشار شده است، نشان دهنده جهش قابل توجهی در توانایی ما برای مطالعه و فهمیدن حرکت اساسی ماده در مقیاس اتمی است. پیامدهای این پیشرفت زیاد فراتر از قلمرو علم محض است و به طور بالقوه عرصه‌های مختلفی از علم مواد گرفته تا محاسبات کوانتومی را منقلب می‌کند.

در قلب این نوآوری یک میکروسکوپ الکترونی عبوری اصلاح شده(TEM) است که از پالس‌های لیزری فوق سریع برای دستکاری الکترون‌ها منفعت گیری می‌کند. با کنترل دقیق این پالس‌های لیزری، محققان توانستند فوران‌های زیاد کوتاهی از الکترون‌ها تشکیل کنند که تنها کسری از فمتوثانیه طول می‌کشد.

محمد حسن، محقق ارشد، دانشیار فیزیک و علوم نوری در دانشگاه آریزونا، در بیانیه‌ای می‌گوید: با این میکروسکوپ، ما امیدواریم که جامعه علمی بتواند فیزیک کوانتومی را که در بعد حرکت یک الکترون و نحوه حرکت یک الکترون است، فهمیدن کند.

این گروه برای نشان دادن قابلیت‌های روش تازه خود، از اتومیکروسکوپ برای مطالعه حرکت الکترون‌ها در گرافن، ماده‌ای متشکل از یک لایه واحد از اتم‌های کربن که در یک الگوی لانه زنبوری قرار گرفته‌اند، منفعت گیری کردند. گرافن در سال‌های تازه به علت خواص الکتریکی و مکانیکی منحصر به فرد خود دقت بسیاری را به خود جلب کرده است و آن را به موضوعی ایده‌آل برای این تحقیقات پیشگامانه تبدیل کرده است.

آزمایش‌ها نشان داد که هنگامی الکترون‌های گرافن در معرض پالس‌های لیزری شدید قرار می‌گیرند، رفتارهایی دارند که پیش از این مشاهده مستقیم آن غیرممکن می بود. محققان توانستند حرکت این الکترون‌ها را زمان جواب به میدان الکتریکی لیزر، که بین حالت‌های انرژی گوناگون و در سراسر ساختار ماده حرکت می‌کنند، ردیابی کنند.

یکی از قابل دقت‌ترین یافته‌ها مشاهده این می بود که الکترون‌های گرافن با چه سرعتی می‌توانند به محرک‌های خارجی جواب دهند. این مطالعه نشان داد که این الکترون‌ها می‌توانند در کمتر از یک فمتوثانیه به تغییرات میدان لیزر عکس العمل نشان دهند و این پتانسیل دستگاه‌های الکترونیکی فوق‌سریع را مشخص می کند که می‌توانند با سرعتی زیاد فراتر از آنچه اکنون امکان پذیر کار کنند.

این سطح از جزئیات در مشاهده حرکت الکترون پیش از این به دست نیامده می بود و راه‌های جدیدی را برای فهمیدن و کنترل بالقوه جهان کوانتومی باز می‌کند. توانایی تماشای حرکت الکترون‌ها در لحظه می‌تواند تبدیل پیشرفت‌هایی در عرصه‌هایی همانند تبدیل انرژی خورشیدی شود، جایی که فهمیدن حرکت دقیق الکترون‌ها برای بهبود کارایی زیاد مهم است.

گسترش اتومیکروسکوپ به خودی خود یک دستاورد فنی قابل دقت است. محققان برای تشکیل و کنترل پالس‌های الکترونی در این چنین بازه‌های وقتی کوتاهی ناچار بودند بر چالش‌های بسیاری تسلط کنند.

حسن و همکارانش کار خود را بر پایه دستاوردهای برنده جایزه نوبل پیر آگوستینی(Pierre Agostini)، فرنس کراوس(Ferenc Krausz) و آن لوهیلیر(Anne L’Huilliere)، که در سال ۲۰۲۳ بعد از تشکیل اولین پالس تابش فرابنفش شدید که می‌توان آن را در اتوثانیه اندازه‌گیری کرد، برنده جایزه نوبل فیزیک شد، انجام دادند.

در حالی که این تحقیق نشان دهنده یک قدم مهم رو به جلو است، مهم است که دقت داشته باشیم که حوزه علم اتوثانیه تا این مدت در مرحله های ابتدایی خود است. همانند هر روش علمی تازه، قبل از این که اتومیکروسکوپ به یک ابزار پرکاربرد تبدیل شود، اصلاح و اعتبار سنجی زیاد تر الزامی است. با این حال، کاربردهای بالقوه آن زیاد گسترده است، و این پیشرفت، زمان‌های شوق‌انگیز جدیدی را برای کاوش در دنیای کوانتومی با جزئیات بی‌سابقه ممکن می‌کند.