معجزه سریع ترین میکروسکوپ الکترونی دنیا - پرسینا بلاگ

غزال زیاری: محققان دانشگاه آریزونا سریع ترین میکروسکوپ الکترونی دنیا را ساخته اند؛ این میکروسکوپ قادر است تا از الکترون های متحرک، تصاویر فریم انجمادی ثبت کند. دانشمندان پیش بینی می نمایند که این نوآوری منجر به پیشرفت های قابل توجهی در رشته هایی مثل فیزیک، شیمی، مهندسی زیستی، علم مواد و فراتر از آنها گردد.

محمد حسن، دانشیار فیزیک و علوم نوری دراین باره گفت: این ابزار تازه از بالاترین وضوح زمانی برای انجماد زمان و تماشا حرکات الکترون برخوردار است و این تصویربرداری الکترونی اتمیکروسکوپی، پلی قوی برای تبدیل یافته های علمی به کاربردهای مهندسی خواهد بود.

او در شرح بیشتر گفت: امیدواریم تا جامعه علمی با بهره گیری 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 2000 بود که میکروسکوپ های الکترونی فوق سریع توسعه یافتند؛ در این میکروسکوپ ها، برای فراوری پرتوهای الکترونی پالسی از لیزر استفاده می گردد و همین به شکل قابل توجهی قدرت تفکیک زمانی (توانایی مشاهده تغییرات در یک نمونه در طول زمان) را افزایش می دهد.

برخلاف میکروسکوپ های سنتی که کیفیت تصویر در آنها به سرعت شاتر دوربین بستگی دارد، وضوح در این میکروسکوپ های الکترونی پیشرفته با طول مدت پالس های الکترونی معین می گردد.

اصل ساده: پالس سریع تر، تصویر واضح تر

میکروسکوپ های الکترونی فوق سریع قبلی، با ارسال یک سری پالس های الکترونی با سرعت های میزان گیری شده در آتوثانیه (یک کوئنتیلیونم ثانیه) کار می کردند. این پالس ها تصاویری متوالی مثل فریم های یک فیلم را ایجاد می کردند؛ اما تغییرات سریع و واکنش های درون یک الکترون بین این فریم ها مبهم باقی می ماند.

حالا و برای اولین بار، محققان دانشگاه آریزونا یک پالس الکترونی آتوثانیه ای فراوری کردند که یک الکترون را در حالت ثابت، مطابق با سرعت حرکت الکترون ها، به تصویر می کشد. این پیشرفت، باعث افزایش وضوح زمانی میکروسکوپ می گردد. دقیقاً مثل دوربینی با سرعت بالا که آنچه در حال عادی به چشم نمی آیند را به تصویر می کشد.

توسعه نظریه برنده جایزه نوبل

حسن و تیمش، این پروژه را بر اساس کار پیر آگوستینی، فرنس کراوس و آن لوهیلیر که در سال 2023 جایزه نوبل فیزیک را برای فراوری اولین پالس پرتو فرابنفش شدید به میزان کوتاهی که در آتوثانیه میزان گیری گردد، دریافت نمودند، شروع کردند.

اقدام بزرگ این سه دانشمند، این امکان را فراهم کرد تا با استفاده از پالس های نوری آتوثانیه، حرکت الکترون در زمان واقعی ردیابی گردد. حسن دراین باره گفت: کار ما بر اساس کوشش های این دانشمندان، با فراوری اولین پالس های الکترونی آتوثانیه ساخته شده و آن را توسعه می دهد و این گونه قابلیت تماشا حرکت الکترون در فضا و زمان را به طور هم زمان فراهم خواهد شد.

نحوه عملکرد میکروسکوپ

بدین ترتیب محققان دانشگاه آریزونا، میکروسکوپ پیشرفته ای را توسعه دادند که از لیزر قدرتمندی که به دو بخش تقسیم می گردد، استفاده می نماید: یک پالس الکترونی بسیار سریع و دو پالس نوری فوق کوتاه.

اولین پالس نور که به عنوان پمپ پالس شناخته می گردد، انرژی را به نمونه وارد نموده و باعث حرکت الکترون ها یا تغییرات سریع دیگر می گردد. پالس دوم که پالس دروازه نوری نام دارد، با ایجاد یک پنجره زمانی کوتاه که طی آن یک پالس الکترونی آتوثانیه ای فراوری می گردد، به عنوان یک دروازه عمل می نماید. زمان این پالس دروازه ای وضوح تصویر حاصل را معین می نماید.

با همگام سازی این دو پالس، محققان دقیقاً زمان تعامل پالس های الکترونی با نمونه را کنترل نموده و بدین ترتیب فرآیندهای فوق سریع در سطح اتمی را ضبط و مشاهده می نمایند.

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 می دهد تا چیزهایی که قبلاً نمی توانستیم را ببینیم گفت: اتمیکروسکوپی، مورفولوژی ساختار مواد را با دینامیک الکترونی آن مرتبط می نماید و برایمان امکان تصویربرداری و کنترل جریان های الکترونی و توسعه الکترونیک های میدان محور لیزری را میلیون ها بار سریع تر از الکترون های فعلی در ابعاد کوچک چند نانومتری فراهم می نماید.

او ادامه داد: کاربرد اتمیکروسکوپی تنها در مهندسی نیست و می توان آن را در شیمی و زیست شناسی نیز به کار برد. مشاهده حرکت الکترون با میکروسکوپ اتمیکروسکوپی را می توان برای مشاهده شکستن و تشکیل بدنه شیمیایی مورداستفاده قرار داد. این قابلیت تازه به ما این امکان می دهد تا به انتظار طولانی مدت شیمی دانان برای کنترل واکنش های شیمیایی انتها دهیم؛ بدین ترتیب ما می توانیم مولکول های تازهی ایجاد نموده و حوزه تحقیقاتی کشف دارو را متحول کنیم.

سرپرست این تیم در رابطه با کاربرد این میکروسکوپ در علم زیست شناسی گفت: اتمیکروسکوپی برای مشاهده حرکت الکترون در مولکول ها و نمونه های بیولوژیکی نیز سودمند خواهد بود. تصور کنید بتوانیم ببینیم که الکترون ها چگونه حرکت می نمایند و آن ها را در صورت احتیاج تحت کنترل دربیاوریم تا ساختار سه بعدی DNA را تأیید کنیم. این درواقع راه را برای پیشرفت های علمی و فناوری بیشتر بازخواهد کرد.

بهره گیری از فناوری در علم کاربردی

اما سؤالی که مطرح است این است که این میکروسکوپ چه کاربردهایی در فناوری قابل استفاده دارد؟ حسن دراین باره گفت: یک مثال تعیین این است که ما ازآنچه از تصویربرداری حرکت الکترون در گرافن که به وسیله اتمیکروسکوپی ثبت شد، یاد گرفتیم تا چگونه برای توسعه سوئیچ های جریان آتوثانیه و اپتوالکترونیک مبتنی بر گرافن فوق سریع استفاده کنیم.

این به معنای توسعه سریع (تقریباً شش برابر سریع تر) 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 لازم است گفت: این سؤال مهمی است. ما در کوششیم تا رفتار کوانتومی حرکت الکترون را از منظر ایستا درک کنیم. اتمیکروسکوپی دروازه تازهی در زمان را به روی ما باز می نماید تا رفتار کوانتومی الکترون ها را در زمان و مکان واقعی ببینیم و متوجه شویم و در عین حال می تواند در حکم دوربین کوانتومی برای فیلم برداری از این دنیای مرموز باشد.

منبع: interestingengineering

58321