فناوری تصویربرداری بشر از ابتدای کار تاکنون فوق‌العاده پیشرفت کرده است؛ اما ثبت حرکت الکترون ها کار ساده‌ای نیست. الکترون با سرعت ۲۲۰۰ کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کند که یعنی می‌‌تواند در تنها ۱۸.۴ ثانیه به‌طور کامل دور زمین بچرخد. حالا تصور کنید یک دوربین فوق‌العاده قوی در اختیار دارید که می‌تواند از الکترون در هنگام حرکت با این سرعت عجیب عکس‌برداری کند. این دقیقا همان دستاوردی است که پژوهشگران دانشگاه آریزونا آمریکا توانسته‌اند با ساخت سریع ترین میکروسکوپ جهان به آن دست یابند.

سریع ترین میکروسکوپ جهان می‌تواند الکترون ها را در لحظه شکار کند

پژوهشگران آمریکایی بر این باور هستند که با این میکروسکوپ می‌توان انتظار پیشرفت‌های خارق‌العاده‌ای را در علوم فیزیک، شیمی، مهندسی زیستی، مهندسی مواد و … داشت. محمد حسن، استاد فیزیک و علوم اپتیک دانشگاه آریزونا و سرپرست تیم پژوهشی دستاورد جدید را به آخرین نسخه از یک گوشی هوشمند تشبیه می‌کند. وی تاکید می‌کند که افراد هنگام خرید جدیدترین مدل گوشی انتظار دوربینی قوی‌تر را دارند.

آنها نیز نسخه جدیدی از میکروسکوپ الکترونی عبوری را توسعه داده‌اند که با دوربین قوی‌تری همراه شده است. با این تفاوت که این دوربین می‌تواند از چیزهایی عکاسی کند که پیشتر امکان تصویربرداری از آنها ممکن نبود. به کمک سریع ترین میکروسکوپ جهان جامعه علمی قادر خواهد بود فیزیک کوانتوم را با توجه به نحوه رفتار الکترون و حرکت آن درک کند.

میکروسکوپ الکترونی عبوری یک ابزار علمی است که به پژوهشگران اجازه می‌دهد اجرام را چند میلیون برابر بزرگتر از ابعاد واقعی آنها مشاهده کنند. در این حالت جزئیات جدیدی آشکار می‌شود که برای میکروسکوپ‌های پیشرفته هم ممکن نیست. در میکروسکوپ های الکترونی عبوری به‌جای نور پرتویی از الکترون‌ها به سمت نمونه مورد مطالعه تابیده می‌شود. تعامل بین الکترون و نمونه توسط لنزها ثبت می‌شود و حسگر می‌تواند تصویری با جزئیات کامل را در اختیار شما قرار دهد.

برای اولین بار در دهه ۲۰۰۰ بود که دانشمندان موفق شدند با این روش میکروسکوپ های الکترونی فوق‌العاده سریع را توسعه دهند. در این میکروسکوپ ‌ها از یک لیزر برای تولید پرتویی از الکترون استفاده می‌شد. چنین تکنیکی توانایی میکروسکوپ برای مشاهده و اندازه‌گیری تغییرات در یک نمونه را به‌شدت افزایش می‌دهد.

در پیشگامان سریع ترین میکروسکوپ جهان به‌جای تکیه بر سرعت شاتر دوربین برای ثبت تصویری باکیفیت، رزولوشن با افزایش طول پالس‌های الکترون افزایش می‌یابد. به این صورت که هرچقدر پالس‌ها سریع‌تر باشند، تصویر نیز بهتر خواهد شد.

نسل‌های پیشین سریع ترین میکروسکوپ جهان پیشتر از پالس‌های الکترونی با سرعت چند اتوثانیه استفاده می‌کردند. برای درک عظمت این میکروسکوپ ها باید یادآوری کنیم که هر اتوثانیه معادل ۱۸- ۱۰ ثانیه است. به بیانی دیگر رابطه بین یک اتوثانیه با ثانیه را می‌توان همچون نسبت بین یک ثانیه با ۳۱.۷۱ میلیارد سال تعریف کرد. پالس‌ها در این سرعت مجموعه‌ای از تصاویر را ثبت می‌کنند. چیزی که می‌توان به فریم‌های یک فیلم شبیه دانست.

با همه اینها دانشمندان نمی‌توانستند واکنش‌ها و تغییراتی که بین فریم‌ها برای الکترون رخ می‌دهد را مشاهده کنند. در واقع ثبت وضعیت الکترون به‌صورت آنی ممکن نبود. به‌منظور مشاهده الکترون در یک مکان مشخص، پژوهشگران دانشگاه آریزونا سریع ترین میکروسکوپ جهان را ساختند که می‌تواند در هر اتوثانیه پالس ایجاد کند. این میزان دقیقا با سرعت حرکت الکترون‌ها برابر است و سبب می‌شود که کیفیت تصویر فوق‌العاده افزایش یابد.

بدین‌ترتیب ما مواردی را می‌بینیم که پیشتر قادر به مشاهده آنها نبودیم. حسن و همکارانش اعلام کردند که برای ساخت این دستگاه پیشرفته از دستاوردهای Pierre Agostini، Ferenc Krausz و Anne L’Huiliere برندگان نوبل فیزیک در سال ۲۰۲۳ بهره برده‌اند. بهره‌گیری از یافته‌های این دانشمندان به پژوهشگران دانشگاه آریزونا اجازه داد که میکروسکوپ خاص خود را با رویکردی منحصربه‌فرد بسازند.

در این میکروسکوپ یک لیزر قدرتمند به دو بخش (یک پالس فوق‌العاده سریع الکترون و دو پالس فوق‌العاده کوتاه نوری) تقسیم می‌شود. اولین پالس نوری به نمونه انرژی وارد می‌کند و سبب می‌شود که الکترون‌ها تغییرات سریعی را تجربه کنند. پالس نوری دوم همچون یک درگاه عمل کرده و با ایجاد یک پنجره زمانی فو‌ق‌العاده کوتاه اجازه ایجاد پالس الکترونی را می‌دهد. با همگام‌کردن دقیق این دو پالس پژوهشگران می‌توانند فرآیندهای فوق‌العاده سریعی که در مقیاس اتمی رخ می‌دهند را مشاهده کنند.

بسیاری از پژوهشگران منتظر بودند که روزی خبر ساخت سریع ترین میکروسکوپ جهان با توانایی ثبت حرکت الکترون ها در اخبار علمی منتشر شود. گروه‌های زیادی نیز در سرتاسر جهان روی این موضوع کار می‌کردند؛ اما در نهایت این پژوهشگران دانشگاه آریزونا آمریکا بودند که توانستند به این مهم دست یابند. اکنون نیز می‌توان کوچکترین حرکات الکترون ها را مشاهده کرد.

این گروه از پژوهشگران باور دارند که دستاورد جدید آنها می‌تواند انقلاب بزرگی را در علوم مختلف ایجاد کند. به همین‌خاطر هم واژه اتومیکروسکوپی را به‌عنوان کلیدواژه‌ای که در آینده بسیار استفاده خواهد شد پیشنهاد کرده‌اند.

منبع: خبرآنلاین