سریعترین میکروسکوپ الکترونی جهان تاثیر متقابل نور و ماده را ثبت کرد

«ساینس دیلی»، میکروسکوپ های الکترونی به دانشمندان نگاهی به درون ریزترین جزئیات مواد ارائه می‌کنند و به عنوان مثال می‌توانند ساختارهای مواد جامد، مولکول‌ها یا ذرات نانو را با وضوح اتمی بالا مشخص کنند. با این حال، بسیاری از مواد در طبیعت ایستا (استاتیک) نیستند بلکه بطور مداوم بر هم تاثیر می گذارند، حرکت می‌کنند و بین شکل اولیه و نهایی تغییر شکل می‌دهند.

یکی از پدیده‌های عام، تراکنش بین نور و ماده است که در موادی مانند سلول های خورشیدی، صفحات نمایش یا لیزرها وجود دارد. این ارتباط بین مواد با حرکت الکترون ها بر اثر نوسان نور تعریف می‌شوند و دینامیک آنها بسیار سریع است؛ امواج نور در فاصله زمانی در مقیاس «آتوثانیه» (attoseconds) نوسان می‌کنند. آتوثانیه معادل یک میلیاردم از یک میلیاردم ثانیه است.

تا الان تجسم کردن این فرایندهای بسیار سریع در مکان و زمان بسیار دشوار بوده اما این کار دقیقا کاری است که تیمی از فیزیکدان‌ها در دانشگاه «کونستانز» (Konstanz ) / در کشور آلمان/ انجام داده است.

این محققان فیلم هایی با وضوح زمانی در حد آتوثانیه در یک میکروسکوپ الکترون ضبط کردند و با این کار بینش تازه‌ای به عملکرد مواد نانو و فرااتم‌های دی‌الکتریک (dielectric meta-atoms) فراهم کردند.

میکروسکوپ الکترونی

«پیتر بوم» استاد فیزیک در دانشگاه مذکور می‌گوید: اگر از نزدیک و با دقت نگاه کنید، تقریبا تمام پدیده‌های اپتیکی (نوری)، نانوفوتونیک یا فرامواد در مقایس زمانی زیر مدت زمان یک نوسان موج نور روی می‌دهند. از این رو، ما برای فیلم گرفتن از این تراکنش های فوق سریع بین نور و ماده نیازمند وضوح زمانی در حد آتوثانیه هستیم.

گروه تحقیقاتی «بوم» برای رسیدن به چنین سرعت ضبط بالایی از تصاویر، از نوسانات سریع یک لیزر موج مداوم برای تبدیل اشعه الکترون یک میکروسکوپ الکترونی به زنجیره‌ای از پالس‌های الکترون فوق کوتاه استفاده کردند.

در این فرایند، یک غشای نازک سیلیکون یک شتاب‌دهی و شتاب‌گرفتن تناوبی از الکترون ها را ایجاد می‌کند و این موجب می‌شود پس از مدتی الکترون ها به قطاری از پالس های فوق کوتاه تبدیل شوند.

تحقیقات درباره پدیده نانوفوتونیک

این دانشمندان در مطالعه خود چندین نمونه از اندازه‌گیری‌های زمانی در مواد نانو را ارائه کردند. این آزمایش ها به عنوان مثال، ظهور موج های سطحی کایرال (chiral) را نشان می‌دهند. دانشمندان علاوه بر این، از فرایندهای الکترومغناطیسی در داخل مواد موجی فیلم گرفته‌اند. این نتایج برای تحولات بیشتر در حوزه نانوفوتونیک بسیار جالب هستند.