Субатомный мир трудно визуализировать не только потому, что он невероятно мал, но и потому, что он очень быстр. Теперь физики из Университета Аризоны разработали самый быстрый в мире электронный микроскоп, чтобы фиксировать события, длящиеся всего одну квинтиллионную секунды.
Хорошая камера с выдержкой в миллисекундах может сделать четкий снимок бегущего человека. Но самые быстрые «камеры» в мире — просвечивающие электронные микроскопы — могут запечатлеть события в масштабе аттосекунд, например, фотографии бегущих электронов. Аттосекунда — это одна квинтиллионная секунды, что делает миллисекунду (тысячную долю секунды) вечностью.
Если мы увеличим это, то в одной секунде будет столько же аттосекунд, сколько секунд в 31,7 миллиарда лет — это более чем в два раза больше, чем существует Вселенная. Здесь есть просто какие-то действительно непостижимые числа.
В любом случае, предыдущие попытки запечатлеть события в таком масштабе времени сократили его до 43 аттосекунд, что исследователи в то время назвали «самым коротким контролируемым событием, когда-либо созданным человечеством». А теперь команда Университета Альберты пошла еще короче, заморозив время всего на одной аттосекунде.
Новая работа основана на исследованиях Пьера Агостини, Ференца Крауса и Анны Л'Юйер, которые сгенерировали первые световые импульсы, достаточно короткие для измерения в аттосекундах. Это принесло команде Нобелевскую премию по физике в 2023 году.
Для нового исследования ученые разработали то, что они называют «аттомикроскопом». Сначала импульс ультрафиолетового света выстреливается в фотокатод, который высвобождает сверхбыстрые электроны внутри аттомикроскопа. Затем лазерный импульс разделяется на два луча, которые оба посылаются в электроны, движущиеся через микроскоп. Один из этих лучей поляризован, и они прибывают в немного разное время, создавая «стробируемый» электронный импульс, который может визуализировать образец — в данном случае графен.
Схема аттомикроскопа. Ультрафиолетовый лазер (розовый) запускает сверхбыстрый импульс электронов (зеленый) внутри аттомикроскопа. Затем лазерный импульс разделяется на два луча (оранжевый), которые попадают на образец в немного разное время, запуская одноаттосекундный электронный импульс, который может визуализировать образец Depositphotos
Используя эту технику, команда смогла сгенерировать электронные импульсы длительностью всего одну аттосекунду, что позволило им наблюдать сверхбыстрое движение электронов, которое обычно невозможно увидеть. Исследователи говорят, что этот прорыв может найти применение в квантовой физике, химии и биологии.
«Улучшение временного разрешения внутри электронных микроскопов давно ожидалось и находится в центре внимания многих исследовательских групп, потому что мы все хотим видеть движение электронов», — сказал Мохаммед Хассан, автор исследования. «Эти движения происходят за аттосекунды. Но теперь, впервые, мы можем достичь аттосекундного временного разрешения с помощью нашего электронного трансмиссионного микроскопа – и мы назвали это «аттомикроскопией». Впервые мы можем видеть части электрона в движении».
Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.
