دانشمندان با تکنیک اتومیکروسکوپ سریعترین تصاویر از حرکت الکترونها ثبت کردند
دانشمندان با استفاده از روش نوینی به نام اتومیکروسکوپ موفق شدند برای اولین بار حرکت الکترونها را در مقیاس زمانی اتوثانیه ثبت و مشاهده کنند. این پیشرفت علمی که در مجله ساینس ادوانسز منتشر شده است، جهش قابل توجهی در توانایی مطالعه حرکت اساسی ماده در سطح اتمی محسوب میشود.
اتوثانیه واحدی از زمان است که معادل ده به توان منفی هجده ثانیه برآورد میشود و در یک ثانیه تعداد بسیار زیادی اتوثانیه وجود دارد. این دقت زمانی بیسابقه به محققان اجازه میدهد تا پدیدههای کوانتومی را در لحظه وقوع رصد کنند.
در قلب این نوآوری، یک میکروسکوپ الکترونی عبوری اصلاح شده قرار دارد که از پالسهای لیزری فوقسریع برای کنترل و دستکاری الکترونها بهره میگیرد. محمد حسن، دانشیار فیزیک و علوم نوری در دانشگاه آریزونا و محقق ارشد این پروژه، بیان کرد با این میکروسکوپ امیدواریم جامعه علمی بتواند فیزیک کوانتومی را در بعد حرکت الکترون و نحوه جابجایی آن درک کند.
تیم تحقیقاتی برای نشان دادن قابلیتهای این روش، حرکت الکترونها در گرافن را مطالعه کردند. گرافن مادهای متشکل از یک لایه واحد اتمهای کربن در ساختار لانهزنبوری است که به دلیل خواص الکتریکی و مکانیکی منحصر به فرد، موضوع ایدهآلی برای این تحقیقات پیشگامانه محسوب میشود.
آزمایشها نشان داد که الکترونهای گرافن در معرض پالسهای لیزری شدید، رفتارهایی از خود نشان میدهند که پیش از این مشاهده مستقیم آنها غیرممکن بود. محققان توانستند حرکت این الکترونها را در پاسخ به میدان الکتریکی لیزر، در حین جابجایی بین حالتهای انرژی مختلف و در سراسر ساختار ماده، ردیابی کنند.
یکی از مهمترین یافتهها تعیین سرعت واکنش الکترونهای گرافن به محرکهای خارجی بود. این مطالعه اثبات کرد که الکترونها میتوانند در کمتر از یک فمتوثانیه به تغییرات میدان لیزر واکنش نشان دهند که پتانسیل ساخت دستگاههای الکترونیکی فوقسریع با سرعتهای بسیار بالاتر از تکنولوژیهای موجود را آشکار میسازد.
این سطح از جزئیات در مشاهده حرکت الکترون پیش از این قابل دسترس نبود و مسیرهای جدیدی برای درک و کنترل بالقوه جهان کوانتومی باز کرده است. توانایی تماشای لحظهای حرکت الکترونها میتواند پیشرفتهایی در حوزههایی نظیر تبدیل انرژی خورشیدی را تسریع کند که درک دقیق حرکت الکترونها برای ارتقای کارایی حیاتی است.
توسعه اتومیکروسکوپ به خودی خود دستاورد فنی قابل توجهی است. محققان برای تولید و کنترل پالسهای الکترونی در بازههای زمانی اینچنین کوتاه، چالشهای فنی متعددی را حل کردند. این کار بر پایه دستاوردهای برندگان جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۳، پیر آگوستینی، فرنس کراوس و آن لوهیلیر، که اولین پالسهای تابش فرابنفش شدید در مقیاس اتوثانیه را تولید کردند، استوار است.
با وجود اهمیت این گام، باید توجه داشت که علم اتوثانیه همچنان در مراحل اولیه توسعه قرار دارد. همانند هر روش علمی نوظهور، پیش از آنکه اتومیکروسکوپ به ابزاری پرکاربرد تبدیل شود، نیاز به اصلاح و اعتبارسنجیهای گستردهتری دارد. با این حال، کاربردهای بالقوه آن بسیار گسترده است و این پیشرفت، دوران شوقانگیز جدیدی را برای کاوش در دنیای کوانتومی با جزئیات بیسابقه فراهم آورده است.