Самый быстрый в мире микроскоп позволяет уловить даже движение электронов

Новое устройство, представляющее собой более новую версию просвечивающего электронного микроскопа, фиксирует изображения электронов в полете, воздействуя на них электронными импульсами длительностью в одну квинтиллионную секунды. Это настоящий прорыв: электроны движутся со скоростью примерно 2200 километров в секунд, что позволяет им облететь Землю всего за 18,4 секунды.

Используя микроскоп на крошечных частицах, исследователи надеются сделать некоторые новые открытия на предмет того, как они взлетают. Выводы опубликованы в журнале Science Advances.

Этот просвечивающий электронный микроскоп похож на очень мощную камеру в топовых смартфонах; он позволяет делать снимки вещей, которые мы не могли видеть раньше, например, электронов. Ученые надеются, что с помощью этого микроскопа научное сообщество сможет понять квантовую физику, лежащую в основе того, как ведет себя электрон и как он движется.

То, как электроны располагаются и перестраиваются внутри атомов и молекул, является важнейшим вопросом как в физике, так и в химии, но подвижная природа мельчайших частиц делает их изучение невероятно сложным.

Чтобы создать время экспозиции, позволяющее фиксировать движения электронов, в начале 2000-х годов физики разработали методы генерации крошечных аттосекундных (или 1х10^-18 секунд) импульсов — достижение, которое принесло ученым, создавшим его, Нобелевскую премию по физике.

Уменьшив время экспозиции микроскопов до масштаба нескольких аттосекунд (аттосекунда по сравнению с секундой так же велика, как секунда по сравнению с возрастом Вселенной), физики выяснили, как электроны переносят заряд, как они ведут себя внутри полупроводников и жидкой воды и как разрываются химические связи между атомами.

Но даже масштаб в несколько аттосекунд слишком велик, чтобы захватить отдельные движения электронов. Чтобы добиться этого, ученые в рамках нового исследования настраивали электронную пушку до тех пор, пока она не выдавала импульс всего в одну аттосекунду.

Эти импульсы попадают на изучаемый «образец», и по мере того, как электроны проходят через него, они замедляются и изменяют форму волнового фронта электронного пучка. Затем замедленный луч увеличивается линзой и попадает на флуоресцентный материал, который светится, когда луч попадает на него.

Объединив электронный импульс с двумя тщательно синхронизированными импульсами света, чтобы привести электроны в движение в материале и помочь в создании электронного импульса, исследователи смогли изучить сверхбыстрые движения электронов внутри атомов.

У физиков получилось достичь аттосекундного временного разрешения с помощью электронного просвечивающего микроскопа, и они называли такой метод «аттомикроскопией».