أسرع مجهر في العالم يلتقط حركة الإلكترونات في الأتوثانية
مصر:إيهاب محمد زايد
إن قدرتنا على تصوير العالم دون الذري محدودة، ليس فقط بالدقة، بل وأيضاً بالسرعة. فالجسيمات المكونة للذرات – والتي تطير حرة من – يمكنها نظرياً أن تتحرك بسرعات تقترب من سرعة الضوء.
وفي الممارسة العملية، غالباً ما تتحرك بسرعة أبطأ كثيراً، ولكن حتى هذه السرعات الأبطأ تكون أسرع كثيراً من أن تراها أعيننا أو التكنولوجيا. وهذا جعل مراقبة سلوك الإلكترونات أمراً صعباً للغاية – ولكن الآن سمح تطوير تقنية تصوير مجهرية جديدة للعلماء بالتقاطها وهي تتحرك في الوقت الحقيقي.
إنها من عمل فريق من الفيزيائيين في جامعة أريزونا توسان، بقيادة داندان هوي وحسين القطان، ويمكنها التقاط الصور بسرعات الأتوثانية؛ أي جزء من خمسة ملايين جزء من الثانية. وقد أطلقوا على هذه التقنية اسم المجهر.
يقول الفيزيائي محمد حسن من جامعة أريزونا توسان: “لقد كان تحسين الدقة الزمنية داخل المجاهر الإلكترونية متوقعًا منذ فترة طويلة وكان محور اهتمام العديد من مجموعات البحث، لأننا جميعًا نريد أن نرى حركة الإلكترون”.
“تحدث هذه الحركات في الأتوثانية. ولكن الآن، وللمرة الأولى، أصبحنا قادرين على تحقيق دقة زمنية في الأتوثانية باستخدام مجهر ناقل الإلكترون الخاص بنا – وأطلقنا عليه اسم “التصوير الذري”. لأول مرة، يمكننا رؤية قطع الإلكترون في الحركة”.
المجهر الإلكتروني النافذ، أو TEM، هو تقنية تستخدم لتوليد صور لأصغر الهياكل في العالم المادي. يعتمد على الإلكترونات، وليس الضوء، لتوليد الصورة. يتم نقل شعاع من الإلكترونات عبر عينة من المادة؛ والتفاعل بين الإلكترونات والعينة هو ما ينتج الصورة. على سبيل المثال، أدناه صورة المجهر الإلكتروني النافذ لخلية دم بيضاء.
صورة بالأبيض والأسود لبقعة بها ثلاثة أقسام دائرية داكنة
بدلاً من سرعة الغالق في الكاميرا التقليدية، يعتمد المجهر الإلكتروني النافذ على سرعة نبضات الليزر التي تنتقل عبرها الإلكترونات. وكلما كانت مدة نبضات الليزر أسرع، كانت الصورة الناتجة أفضل. لذا، إذا كنت تريد جودة صورة أفضل، فإن الطريقة لتحقيق ذلك هي تطوير ليزر يمكنه إطلاق نبضات أقصر.
في السابق، وصلت ليزرات المجهر الإلكتروني النافذ إلى مدة بضع أتو ثانية، يتم إطلاقها في قطار، مثل انفجار قصير من الكهرباء الساكنة.
هذا إنجاز رائع للغاية يستحق جائزة نوبل؛ لكن المشكلة هي أنه على الرغم من أن هذا يولد سلسلة من الصور، فإن الإلكترونات تتحرك بشكل أسرع قليلاً – لذلك ضاعت التغييرات في الإلكترون بين النبضات.
أراد الباحثون معرفة ما إذا كان بإمكانهم إيجاد طريقة لتقصير مدة الشعاع النبضي إلى أتو ثانية فقط، وهي السرعة التي تتحرك بها الإلكترونات في الشعاع، وبالتالي السماح للمجهر الإلكتروني النافذ بالتقاطها في إطار ثابت.
لقطات محسوبة لحركة الإلكترون في الفضاء الحقيقي، تم الحصول عليها باستخدام المجهر. (هوي والقطان وآخرون، Sci. Adv.، 2024)
تم تحقيق هذا الاختراق من خلال تقسيم النبضة إلى ثلاث: نبضتان ضوئيتان ونبضة إلكترونية. تسمى نبضة الضوء الأولى نبضة المضخة. تحقن الطاقة في عينة الجرافين، مما يتسبب في اهتزاز الإلكترونات.
يتبع ذلك نبضة الضوء الثانية، أو نبضة البوابة، والتي تخلق بوابة أو نافذة. بينما تكون “مفتوحة”، يتم إطلاق نبضة إلكترونية واحدة بسرعة الأتوثانية على العينة، ويتم التقاط العمليات دون الذرية بسرعة الأتوثانية.
والنتيجة هي خريطة دقيقة لديناميكيات الإلكترون – وهي خريطة تفتح الباب أمام دراسات جديدة للطريقة التي تتصرف بها هذه الجسيمات المهمة.
رسم توضيحي لجسم أسطواني طويل مع نبضات ليزر
رسم توضيحي للمجهر. (جامعة أريزونا)
يقول حسن: “يشبه هذا المجهر الإلكتروني النافذ كاميرا قوية للغاية في أحدث إصدار من الهواتف الذكية؛ فهو يسمح لنا بالتقاط صور لأشياء لم نكن قادرين على رؤيتها من قبل – مثل الإلكترونات”.
“نأمل من خلال هذا المجهر أن يتمكن المجتمع العلمي من فهم الفيزياء الكمومية وراء كيفية تصرف الإلكترون وكيفية تحركه”.
تم نشر البحث في مجلة Science Advances.
