Μέχρι σήμερα, η προσπάθεια να απεικονίσουμε την κίνηση ενός ηλεκτρονίου έμοιαζε με την απόπειρα να φωτογραφίσουμε ένα μονοθέσιο της Formula 1 που τρέχει με τελική ταχύτητα, χρησιμοποιώντας μια απλή κάμερα κινητού: το αποτέλεσμα ήταν πάντα μια θολή γραμμή. Αυτό το θεμελιώδες εμπόδιο στην κβαντική φυσική και τη χημεία φαίνεται πως ξεπεράστηκε οριστικά. Μια ομάδα φυσικών από το Πανεπιστήμιο της Αριζόνα παρουσίασε πρόσφατα το «αττομικροσκόπιο» (attomicroscope), μια συσκευή που λειτουργεί ως η ταχύτερη κάμερα που κατασκευάστηκε ποτέ, επιτυγχάνοντας χρονική ανάλυση στο επίπεδο του αττοδευτερολέπτου.
Η υπέρβαση του φράγματος της ταχύτητας
Για να κατανοήσουμε το μέγεθος του επιτεύγματος, πρέπει πρώτα να αντιληφθούμε την κλίμακα του χρόνου στην οποία λειτουργεί το νέο όργανο. Ένα αττοδευτερόλεπτο ισούται με ένα πεντάκις εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου (10^-18). Για να το θέσουμε σε προοπτική, υπάρχουν τόσα αττοδευτερόλεπτα σε ένα δευτερόλεπτο, όσα δευτερόλεπτα έχουν περάσει από τη δημιουργία του Σύμπαντος.
Τα προηγούμενα μοντέλα «υπερ-ταχέων» ηλεκτρονικών μικροσκοπίων λειτουργούσαν στην κλίμακα των φεμτοδευτερολέπτων (ένα τετράκις εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου). Παρόλο που αυτή η ταχύτητα ήταν εκπληκτική για τα δεδομένα της προηγούμενης δεκαετίας, αποδεικνυόταν υπερβολικά αργή για να συλλάβει τις κινήσεις των ηλεκτρονίων μέσα στο άτομο. Τα ηλεκτρόνια κινούνται και αντιδρούν τόσο γρήγορα που, για τα μικροσκόπια των φεμτοδευτερολέπτων, παρέμεναν αόρατα ή εμφανίζονταν ως θολά νέφη πιθανότητας.
Ο Mohammed Hassan, Αναπληρωτής Καθηγητής Φυσικής και Οπτικών Επιστημών στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα και επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας, παρομοιάζει την κατάσταση με μια φωτογραφική μηχανή που έχει αργό κλείστρο. «Αν θέλεις να δεις ένα ηλεκτρόνιο παγωμένο στον χρόνο, χρειάζεσαι έναν παλμό φωτός ή ηλεκτρονίων που να είναι μικρότερος από τον χρόνο που χρειάζεται το ηλεκτρόνιο για να κινηθεί», εξηγεί. Το αττομικροσκόπιο επιτυγχάνει ακριβώς αυτό, δημιουργώντας παλμούς ηλεκτρονίων διάρκειας ενός μόνο αττοδευτερολέπτου.
Η τεχνολογία πίσω από την «Attomicroscopy»
Η καινοτομία που παρουσίασε η ομάδα του Hassan, η οποία δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Science Advances, βασίζεται σε μια τροποποιημένη εκδοχή του Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου Διέλευσης (Transmission Electron Microscope - TEM). Τα συμβατικά TEM χρησιμοποιούν δέσμες ηλεκτρονίων αντί για φως για να μεγεθύνουν αντικείμενα, αλλά η χρονική τους ανάλυση εξαρτάται από τον ρυθμό με τον οποίο εκπέμπονται και ελέγχονται αυτά τα ηλεκτρόνια.
Για να επιτύχουν την απαιτούμενη ταχύτητα, οι ερευνητές ανέπτυξαν μια τεχνική που ονομάζεται «attomicroscopy». Η διαδικασία περιλαμβάνει τη χρήση ενός ισχυρού laser, το οποίο διαχωρίζεται και μετατρέπεται σε δύο μέρη:
- Ο παλμός διέγερσης (pump pulse): Ένας εξαιρετικά σύντομος παλμός φωτός που διεγείρει το δείγμα, αναγκάζοντας τα ηλεκτρόνια να κινηθούν.
- Ο παλμός πύλης (gating pulse): Ένας οπτικός παλμός που δημιουργεί το «παράθυρο» χρόνου. Αυτός ο παλμός ελέγχει πότε ακριβώς θα περάσουν τα ηλεκτρόνια του μικροσκοπίου, επιτρέποντας τη δημιουργία παλμών ηλεκτρονίων διάρκειας 625 αττοδευτερολέπτων.
Μέσα από τον ακριβή συγχρονισμό αυτών των δύο παλμών, οι επιστήμονες κατάφεραν να «παγώσουν» την κίνηση των ηλεκτρονίων, δημιουργώντας ουσιαστικά ένα βίντεο εξαιρετικά υψηλής ανάλυσης από τις αλληλεπιδράσεις στο εσωτερικό της ύλης.
Γιατί αυτό αλλάζει τα δεδομένα στην επιστήμη
Η δυνατότητα παρατήρησης της ύλης σε αυτή την κλίμακα δεν αποτελεί απλώς ένα τεχνολογικό ρεκόρ, αλλά ένα εργαλείο που μπορεί να επαναπροσδιορίσει βασικούς κλάδους της επιστήμης.
Στη Χημεία, οι αντιδράσεις συμβαίνουν όταν τα ηλεκτρόνια μεταπηδούν από το ένα άτομο στο άλλο, δημιουργώντας ή σπάζοντας δεσμούς. Μέχρι τώρα, γνωρίζαμε την αρχή και το τέλος μιας αντίδρασης, αλλά το ενδιάμεσο στάδιο ήταν μια «μαύρη τρύπα» γνώσης. Με το αττομικροσκόπιο, οι επιστήμονες μπορούν να δουν σε πραγματικό χρόνο πώς συμπεριφέρονται τα ηλεκτρόνια κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης.
Στην Κβαντική Φυσική, η συμπεριφορά των ηλεκτρονίων καθορίζει τις ιδιότητες των υλικών. Η κατανόηση του πώς κινούνται τα φορτία σε ατομικό επίπεδο θα μπορούσε να οδηγήσει στην ανάπτυξη νέων υλικών με εξωτικές ιδιότητες, όπως υπεραγωγούς που λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου.
Επιπλέον, ο αντίκτυπος στην Τεχνολογία αναμένεται να είναι τεράστιος. Η βιομηχανία των ηλεκτρονικών και των ημιαγωγών πλησιάζει στα φυσικά όρια του πυριτίου. Για να κατασκευάσουμε ταχύτερους επεξεργαστές και αποδοτικότερα τρανζίστορ, πρέπει να κατανοήσουμε και να ελέγξουμε τη ροή των ηλεκτρονίων σε κλίμακες χρόνου που μέχρι πρότινος ήταν απρόσιτες. Η αττομικροσκοπία προσφέρει ακριβώς αυτόν τον χάρτη πλοήγησης για τη μικροηλεκτρονική του μέλλοντος.
Το επόμενο βήμα στην εξερεύνηση του μικρόκοσμου
Η εργασία της ομάδας του Πανεπιστημίου της Αριζόνα χτίζει πάνω στα θεμέλια που έθεσαν οι Νομπελίστες Φυσικής του 2023 (Pierre Agostini, Ferenc Krausz και Anne L’Huillier), οι οποίοι βραβεύτηκαν για την εργασία τους στην παραγωγή παλμών φωτός αττοδευτερολέπτων. Ο Hassan και η ομάδα του πήραν αυτή τη γνώση και την εφάρμοσαν στην ηλεκτρονική μικροσκοπία, γεφυρώνοντας το χάσμα μεταξύ θεωρητικής φυσικής και πρακτικής απεικόνισης.
«Με αυτό το μικροσκόπιο, ελπίζουμε ότι η επιστημονική κοινότητα θα μπορέσει να κατανοήσει την κβαντική φυσική πίσω από τη συμπεριφορά και την κίνηση του ηλεκτρονίου», δήλωσε ο Hassan.
Η εξέλιξη αυτή σηματοδοτεί την είσοδο της επιστήμης στην «εποχή της αττομικροσκοπίας». Πλέον, το αόρατο όχι μόνο γίνεται ορατό, αλλά και μετρήσιμο. Καθώς η τεχνολογία αυτή θα γίνεται πιο προσιτή σε εργαστήρια ανά τον κόσμο, είναι βέβαιο πως θα δούμε εφαρμογές που σήμερα αδυνατούμε να φανταστούμε, από την ανάπτυξη νέων φαρμάκων μέχρι την κατασκευή κβαντικών υπολογιστών επόμενης γενιάς.
