تصویربرداری از دنیای زیراتمی نه تنها به این دلیل که بسیار کوچک است، بلکه چون بسیار سریع هم است، دشوار است. اکنون فیزیکدانان دانشگاه آریزونا سریع‌ترین میکروسکوپ الکترونی جهان را برای ثبت وقایع تنها یک کوئنتیلیونم ثانیه‌ای توسعه داده‌اند.

یک دوربین خوب با سرعت شاتر که در حد میلی‌ثانیه است، ممکن است بتواند عکس واضحی از فردی که در حال دویدن است، بگیرد، اما سریع‌ترین دوربین‌ها در جهان که میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری هستند، می‌توانند رویدادهایی را در مقیاس آتوثانیه، مانند عکس‌های الکترون‌هایی که در حال حرکت هستند، ثبت کنند.

میکروسکوپ الکترونی عبوری (Transmission electron microscopy) نوعی میکروسکوپ الکترونی است که در آن پرتویی از الکترون‌ها از یک نمونه فوق‌العاده نازک عبور می‌کنند و در اثر تعامل الکترون‌های عبوری با نمونه تصویر تشکیل می‌شود. سپس تصویر بر روی یک ابزار تصویرساز مانند یک صفحه نمایش فلورسنت یا یک لایه از فیلم عکاسی متمرکز و بزرگنمایی شده یا توسط یک حسگر آشکار می‌شود.

این میکروسکوپ‌ها قادر به تصویربرداری با وضوح قابل توجهی بالاتر از میکروسکوپ نوری هستند و علت آن کوچکتر بودن طول موج الکترون‌ها نسبت به طول موج نور است. آنها قابلیت عکس‌برداری از ریزساختار مواد با بزرگنمایی هزار تا یک میلیون برابری با وضوح تصویری در حد کوچک‌تر از یک نانومتر را دارند.

شایان ذکر است که یک آتوثانیه معادل یک کوئنتیلیوم ثانیه است که باعث می‌شود یک میلی‌ثانیه (یک هزارم ثانیه) ابدی به نظر برسد.

برای روشن‌تر شدن آن می‌توان گفت که در هر ثانیه به تعداد ثانیه‌های موجود در ۳۱.۷ میلیارد سال، «آتوثانیه» وجود دارد. این بیش از دو برابر زمانی است که جهان وجود داشته است. این یعنی اعدادی واقعا غیر قابل درک در اینجا وجود دارد.

تلاش‌های قبلی برای ثبت رویدادها در چنین مقیاس زمانی، تا ۴۳ آتوثانیه رسیده بود که محققان آن زمان آن را «کوتاه‌ترین رویداد کنترل‌شده توسط بشر» نامیدند و اکنون محققان آن را حتی کوتاه‌تر کرده و آن را تنها به یک آتوثانیه رسانده‌اند.

این کار جدید بر اساس تحقیقات پیر آگوستینی، فرنک کراوس و آن لوهیلیر انجام گرفته است که اولین پالس‌های نوری را تولید کردند که به اندازه کافی کوتاه بودند که در مقیاس آتوثانیه اندازه‌گیری شوند.

گفتنی است که این تیم جایزه نوبل فیزیک را در سال ۲۰۲۳ به دست آورده است.

پژوهشگران برای این مطالعه جدید، چیزی را توسعه دادند که آن را «آتومیکروسکوپ» می‌نامند. ابتدا یک پالس نور فرابنفش به درون یک فوتوکاتد شلیک می‌شود که الکترون‌های بسیار سریعی را درون آتومیکروسکوپ آزاد می‌کند. سپس یک پالس لیزر به دو پرتو تقسیم می‌شود که هر دو به الکترون‌هایی که از طریق میکروسکوپ حرکت می‌کنند، فرستاده می‌شوند. یکی از این پرتوها قطبی شده است و در زمان‌های کمی متفاوت می‌رسند و یک پالس الکترونی تولید می‌کنند که می‌تواند یک نمونه (در این مورد گرافن) را تصویر کند.

این تیم با استفاده از این تکنیک قادر به تولید پالس‌های الکترونی در مقیاس تنها یک آتوثانیه شد که به آنها اجازه می‌داد حرکت فوق ‌سریع الکترون را مشاهده کنند که معمولاً قابل مشاهده نیست.

محققان می‌گویند این پیشرفت می‌تواند در فیزیک کوانتومی، شیمی و زیست‌شناسی کاربرد داشته باشد.

محمد حسن، نویسنده این مطالعه گفت: بهبود تفکیک زمانی درون میکروسکوپ‌های الکترونی مدت‌ها پیش‌بینی می‌شد و مورد توجه بسیاری از گروه‌های تحقیقاتی قرار داشت، زیرا همه ما می‌خواهیم حرکت الکترون را ببینیم. این حرکات در چند آتوثانیه اتفاق می‌افتند.

وی افزود: اکنون برای اولین بار می‌توانیم با میکروسکوپ الکترونی عبوری خود به تفکیک زمانی آتوثانیه‌ای دست یابیم و «آتومیکروسکوپ» را ابداع کردیم. ما برای اولین بار می‌توانیم تکه‌هایی از الکترون را در حال حرکت ببینیم.

این پژوهش در مجله Science Advances منتشر شده است.