Исследователи из Университета Аризоны достигли значительного прорыва в области микроскопии, разработав самый быстрый в мире электронный микроскоп, способный делать стоп-кадры движущегося электрона. Этот инструмент имеет потенциал привести к революционным достижениям в физике, химии, биоинженерии, материаловедении и других областях.

«Когда вы покупаете последнюю версию смартфона, у него улучшенная камера. Наш электронный микроскоп похож на очень мощную камеру в последней версии смартфонов, он позволяет создавать снимки вещей, которые мы не могли видеть раньше, например, электронов. С помощью этого микроскопа мы надеемся, что научное сообщество сможет понять квантовую физику, лежащую в основе поведения и движения электрона», — отметил Мохаммед Хассан, доцент кафедры физики и оптических наук Университета Аризоны.

Мохаммед Хассан, доцент кафедры физики и оптических наук. Источник: Amee Hennig

Группа исследователей под руководством Хассана, включая Николая Голубева, Дандана Хуэя, Хусейна Алькаттана и Мохамеда Сеннари, опубликовала свою научную статью «Аттосекундная электронная микроскопия и дифракция» в журнале Science Advances.

Просвечивающий электронный микроскоп — это инструмент, используемый для увеличения объектов в миллионы раз по сравнению с их фактическим размером, чтобы увидеть детали, слишком мелкие для обнаружения традиционным световым микроскопом. Вместо использования видимого света, он направляет пучки электронов через изучаемый образец. Взаимодействие между электронами и образцом улавливается линзами и обнаруживается датчиком камеры для создания подробных изображений.

Сверхбыстрые электронные микроскопы, использующие эти принципы, были впервые разработаны в 2000-х годах и используют лазер для генерации импульсных пучков электронов. Эта технология значительно увеличивает временное разрешение микроскопа — его способность измерять и наблюдать изменения в образце с течением времени. В этих микроскопах разрешение определяется длительностью электронных импульсов, а не скоростью затвора камеры.

Исследователи из Университета Аризоны основывали свою работу на достижениях Пьера Агостини, Ференца Крауса и Анн Л'Юйер, удостоенных Нобелевской премии по физике в 2023 году за генерацию первого импульса экстремального ультрафиолетового излучения, настолько короткого, что его можно было измерить за аттосекунды (это единица измерения времени, равная одной квинтиллионной доле секунды, или 10−18  секунды). Используя эту работу как трамплин, они разработали микроскоп, в котором мощный лазер разделяется и преобразуется в две части — очень быстрый электронный импульс и два сверхкоротких световых импульса.

Первый световой импульс, известный как «импульс накачки», подаёт энергию в образец и заставляет электроны двигаться или претерпевать другие быстрые изменения. Второй световой импульс, также называемый «оптическим стробирующим импульсом», действует как строб, создавая короткое окно времени, в котором генерируется стробированный, одиночный аттосекундный электронный импульс. Скорость стробирующего импульса определяет разрешение изображения. Тщательно синхронизируя два импульса, исследователи контролируют, когда электронные импульсы зондируют образец, чтобы наблюдать сверхбыстрые процессы на атомном уровне.

«Улучшение временного разрешения в электронных микроскопах ожидалось давно и было в центре внимания многих исследовательских групп, поскольку мы все хотим видеть движение электронов. Но теперь, впервые, мы можем достичь аттосекундного временного разрешения с помощью нашего электронного просвечивающего микроскопа — и мы назвали это "аттомикроскопией". Впервые мы можем видеть части электрона в движении», — подчеркнул Хассан.

Подробнее на iXBT