Аттомикроскоп останавливает время на 1 квинтиллионную долю секунды
Субатомный мир очень трудно увидеть не только потому, что он невероятно крошечный, но и потому, что он очень быстрый. Теперь физики разработали новый электронный микроскоп, позволяющий фиксировать события, длящиеся всего одну квинтиллионную долю секунды.
Хорошая камера с выдержкой, измеряемой миллисекундами, могла бы сделать четкую фотографию бегущего человека. Но самые быстрые «камеры» в мире — трансмиссионные электронные микроскопы — могут фиксировать события в масштабе аттосекунд, например фотографии бегущих электронов. Аттосекунда — это одна квинтиллионная доля секунды, поэтому миллисекунда (тысячная доля секунды) кажется вечностью по сравнению с ней.
Если увеличить масштаб, в одной секунде будет столько же аттосекунд, сколько секунд в 31,7 миллиарда лет – это более чем в два раза дольше, чем существует Вселенная.
Предыдущие попытки запечатлеть события в таком временном масштабе позволили сократить его до 43 аттосекунд, что исследователи в то время назвали «самым коротким контролируемым событием, когда-либо созданным человечеством». А теперь команда ученых из Университета Аризоны пошла еще дальше, заморозив время всего на одну аттосекунду.
Новая работа основана на исследованиях Пьера Агостини, Ференца Крауса и Анны Л’Юйер, которые генерировали первые световые импульсы, которые были достаточно короткими, чтобы их можно было измерить в аттосекундах. Это принесло им Нобелевскую премию по физике в 2023 году.
Для нового исследования ученые разработали то, что они называют «аттомикроскопом». Сначала импульс ультрафиолетового света попадает в фотокатод, который высвобождает сверхбыстрые электроны внутри аттомикроскопа.
Затем лазерный импульс разделяется на два луча, которые оба направляются на электроны, движущиеся через микроскоп. Один из этих лучей поляризован, и они приходят в несколько разное время, генерируя «закрытый» электронный импульс, который может отображать образец — в данном случае графен.
Используя эту технику, ученые смогли генерировать 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 в электронных микроскопах давно ожидалось и было в центре внимания многих исследовательских групп, потому что все мы хотим видеть движение электронов», — говорит Мохаммед Хассан, автор исследования.
«Эти движения происходят за аттосекунды. Но теперь, впервые, мы смогли достичь аттосекундного временного разрешения с помощью нашего электронного микроскопа — и мы назвали это «аттомикроскопией». Впервые мы можем увидеть части электрона в движении».
Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.