محققان دانشگاه آریزونا سریع‌ترین میکروسکوپ الکترونی جهان را ساخته‌اند؛ این میکروسکوپ قادر است تا از الکترون‌های متحرک، تصاویر فریم انجمادی ثبت کند. دانشمندان پیش‌بینی می‌کنند که این نوآوری منجر به پیشرفتهای قابل‌توجهی در رشته‌هایی مثل فیزیک، شیمی، مهندسی زیستی، علم مواد و فراتر از آنها شود.
محمد حسن، دانشیار فیزیک و علوم نوری دراین‌باره گفت: «این ابزار جدید از بالاترین وضوح زمانی برای انجماد زمان و دیدن حرکات الکترون برخوردار است و این تصویربرداری الکترونی اتمیکروسکوپی، پلی قوی برای تبدیل یافته‌های علمی به کاربردهای مهندسی خواهد بود.»
او در توضیح بیشتر گفت: «امیدواریم تا جامعه علمی با بهره‌گیری از این میکروسکوپ بتواند فیزیک کوانتومی که در پس چگونگی رفتار یک الکترون و نحوه حرکات آن نهفته است را درک کند.»
اولین بار در دهه ۲۰۰۰ بود که میکروسکوپ‌های الکترونی فوق‌سریع توسعه یافتند؛ در این میکروسکوپ‌ها، برای تولید پرتوهای الکترونی پالسی از لیزر استفاده می‌شود و همین به شکل قابل‌توجهی قدرت تفکیک زمانی (توانایی مشاهده تغییرات در یک نمونه در طول زمان) را افزایش می‌دهد.
برخلاف میکروسکوپ‌های سنتی که کیفیت تصویر در آنها به‌سرعت شاتر دوربین بستگی دارد، وضوح در این میکروسکوپ‌های الکترونی پیشرفته با طول مدت پالس‌های الکترونی تعیین می‌شود.
اصل ساده: پالس سریع‌تر، تصویر واضح‌تر
میکروسکوپ‌های الکترونی فوق‌سریع قبلی، با ارسال یک سری پالس‌های الکترونی با سرعت‌های اندازه‌گیری شده در آتوثانیه (یک کوئنتیلیونم ثانیه) کار می‌کردند. این پالس‌ها تصاویری متوالی مثل فریم‌های یک فیلم را ایجاد می‌کردند؛ اما تغییرات سریع و واکنش‌های درون یک الکترون بین این فریم‌ها مبهم باقی می‌ماند.
حالا و برای اولین بار، محققان دانشگاه آریزونا یک پالس الکترونی آتوثانیه ای تولید کردند که یک الکترون را در حالت ثابت، مطابق با سرعت حرکت الکترون‌ها، به تصویر می‌کشد. این پیشرفت، باعث افزایش وضوح زمانی میکروسکوپ می‌شود. دقیقاً مثل دوربینی با سرعت‌بالا که آنچه در حال عادی به چشم نمی‌آیند را به تصویر می‌کشد.
گسترش نظریه برنده جایزه نوبل
حسن و تیمش، این پروژه را بر اساس کار پیر آگوستینی، فرنس کراوس و آن لوهیلیر که در سال ۲۰۲۳ جایزه نوبل فیزیک را برای تولید اولین پالس پرتو فرابنفش شدید به‌اندازه کوتاهی که در آتوثانیه اندازه‌گیری شود، دریافت نمودند، آغاز کردند.
اقدام بزرگ این سه دانشمند، این امکان را فراهم کرد تا با استفاده از پالس‌های نوری آتوثانیه، حرکت الکترون در زمان واقعی ردیابی شود. حسن دراین‌باره گفت: «کار ما بر اساس تلاش‌های این دانشمندان، با تولید اولین پالس‌های الکترونی آتوثانیه ساخته‌شده و آن را گسترش می‌دهد و این‌گونه قابلیت دیدن حرکت الکترون در فضا و زمان را به‌طور هم‌زمان فراهم خواهد شد.»
نحوه عملکرد میکروسکوپ
بدین ترتیب محققان دانشگاه آریزونا، میکروسکوپ پیشرفتهای را توسعه دادند که از لیزر قدرتمندی که به دو بخش تقسیم می‌شود، استفاده می‌کند: یک پالس الکترونی بسیار سریع و دو پالس نوری فوق کوتاه.
اولین پالس نور که به‌عنوان "پمپ پالس" شناخته می‌شود، انرژی را به نمونه وارد کرده و باعث حرکت الکترون‌ها یا تغییرات سریع دیگر می‌شود. پالس دوم که "پالس دروازه نوری" نام دارد، با ایجاد یک پنجره زمانی کوتاه که طی آن یک پالس الکترونی آتوثانیه‌ای تولید می‌شود، به‌عنوان یک دروازه عمل می‌کند. زمان این پالس دروازه‌ای وضوح تصویر حاصل را تعیین می‌کند.
با همگام‌سازی این دو پالس، محققان دقیقاً زمان تعامل پالس‌های الکترونی با نمونه را کنترل کرده و بدین ترتیب فرآیندهای فوق‌سریع در سطح اتمی را ضبط و مشاهده می‌کنند.
اتمیکروسکوپی و علوم مواد، شیمیایی و بیولوژیکی
حسن درباره اهمیت این نقطه عطف بزرگ و در پاسخ به سؤالی درباره اینکه این میکروسکوپ به ما اجازه می‌دهد تا چیزهایی که قبلاً نمی‌توانستیم را ببینیم گفت: «اتمیکروسکوپی، مورفولوژی ساختار مواد را با دینامیک الکترونی آن مرتبط می‌کند و برایمان امکان تصویربرداری و کنترل جریان‌های الکترونی و توسعه الکترونیک‌های میدان محور لیزری را میلیون‌ها بار سریع‌تر از الکترون‌های فعلی در ابعاد کوچک چند نانومتری فراهم می‌کند.»
او ادامه داد: «کاربرد اتمیکروسکوپی تنها در مهندسی نیست و می‌توان آن را در شیمی و زیست‌شناسی نیز به کار برد. مشاهده حرکت الکترون با میکروسکوپ اتمیکروسکوپی را می‌توان برای مشاهده شکستن و تشکیل بدنه شیمیایی مورداستفاده قرار داد. این قابلیت جدید به ما این امکان می‌دهد تا به انتظار طولانی‌مدت شیمی‌دانان برای کنترل واکنش‌های شیمیایی پایان دهیم؛ بدین ترتیب ما می‌توانیم مولکول‌های جدیدی ایجاد کرده و حوزه تحقیقاتی کشف دارو را متحول کنیم.»
سرپرست این تیم در رابطه با کاربرد این میکروسکوپ در علم زیست‌شناسی گفت: «اتمیکروسکوپی برای مشاهده حرکت الکترون در مولکول‌ها و نمونه‌های بیولوژیکی نیز سودمند خواهد بود. تصور کنید بتوانیم ببینیم که الکترون‌ها چگونه حرکت می‌کنند و آنها را در صورت نیاز تحت کنترل دربیاوریم تا ساختار سه‌بعدی DNA را تأیید کنیم. این درواقع راه را برای پیشرفتهای علمی و فناوری بیشتر بازخواهد کرد.»
بهره‌گیری از فناوری در علم کاربردی
اما سؤالی که مطرح است این است که این میکروسکوپ چه کاربردهایی در فناوری قابل‌استفاده دارد؟ حسن دراین‌باره گفت: «یک مثال مشخص این است که ما ازآنچه از تصویربرداری حرکت الکترون در گرافن که توسط اتمیکروسکوپی ثبت شد، یاد گرفتیم تا چگونه برای توسعه سوئیچ‌های جریان آتوثانیه و اپتوالکترونیک مبتنی بر گرافن فوق‌سریع استفاده کنیم.»
این به معنای توسعه سریع (تقریباً شش برابر سریع‌تر) ترانزیستورهای نوری، الکترونیک امواج نور و کامپیوترهای کوانتومی نوری خواهد بود. حسن در پاسخ به این سؤال که این پیشرفت برای ماهیت فیزیک کوانتومی چه کاربردی خواهد داشت و چرا تماشای یک الکترون در حال حرکت ضروری است گفت: «این سؤال مهمی است. ما در تلاشیم تا رفتار کوانتومی حرکت الکترون را از منظر ایستا درک کنیم. اتمیکروسکوپی دروازه جدیدی در زمان را به روی ما باز می‌کند تا رفتار کوانتومی الکترون‌ها را در زمان و مکان واقعی ببینیم و متوجه شویم و در عین حال می‌تواند در حکم دوربین کوانتومی برای فیلم‌برداری از این دنیای مرموز باشد.»