Fot. Mohammed Hassan, źródło: University of Arizona, Courtesy Amee Hennig

– To nowe narzędzie ma najwyższą rozdzielczość czasową, aby zatrzymać czas i zobaczyć ruch elektronów w akcji. Obrazowanie elektronowe - attomikroskopia [nazwana tak od attosekundy, która równa się jednej trylionowej części sekundy, jednostce czasu, dzięki której m.in. można obserwować oscylujące cząsteczki, wiązania chemiczne tworzone przez atomy w reakcjach chemicznych i inne niezwykle małe i niezwykle szybkie rzeczy – przyp. red.] buduje silny pomost do przekształcania odkryć naukowych w zastosowania inżynieryjne. Mamy nadzieję, że dzięki temu mikroskopowi społeczność naukowa będzie w stanie zrozumieć fizykę kwantową stojącą za zachowaniem i ruchem elektronów – mówi Mohammed Hassan, prof. nadzw. fizyki i nauk optycznych. Ultraszybkie mikroskopy elektronowe, opracowane po raz pierwszy w 2000 r., wykorzystują lasery do generowania impulsowych wiązek elektronów, znacznie zwiększając rozdzielczość czasową – zdolność do obserwowania zmian w próbce w czasie. W przeciwieństwie do tradycyjnych mikroskopów, w których jakość obrazu zależy od szybkości migawki kamery, rozdzielczość w tych zaawansowanych transmisyjnych mikroskopach elektronowych zależy od czasu trwania impulsów elektronowych. 

Hassan i jego zespół oparli się pracy Pierre'a Agostiniego, Ferenca Krausza i Anne L'Huillier, którzy otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2023 r. za wygenerowanie pierwszego ekstremalnego impulsu promieniowania ultrafioletowego – wystarczająco krótkiego, aby można go było zmierzyć w attosekundach. – Wielki wpływ tych trzech pionierskich naukowców pozwolił nam śledzić ruch elektronów w czasie rzeczywistym za pomocą attosekundowych impulsów świetlnych. Nasza praca opiera się i rozszerza fundamenty położone przez ich wysiłki, generując pierwsze attosekundowe impulsy elektronowe, dodając możliwość jednoczesnego obserwowania ruchu elektronów w przestrzeni i czasie – kontynuuje Hassan.

Zasada jest prosta – im szybszy impuls, tym ostrzejszy obraz. Wcześniejsze ultraszybkie mikroskopy elektronowe działały poprzez emitowanie serii impulsów elektronowych z prędkością mierzoną w attosekundach – jednej kwintylionowej sekundy. Impulsy te tworzyły sekwencyjne obrazy, podobnie jak klatki w filmie, ale gwałtowne zmiany i reakcje w elektronie między tymi klatkami pozostawały nieuchwytne. Po raz pierwszy naukowcy z Uniwersytetu w Arizonie wygenerowali pojedynczy attosekundowy impuls elektronowy, aby uchwycić elektron w stałym stanie, dopasowując prędkość, z jaką poruszają się elektrony. Przełom ten znacznie zwiększa rozdzielczość czasową mikroskopu, przypominając szybką kamerę rejestrującą momenty, które w przeciwnym razie byłyby niewidoczne. Wykorzystując to przełomowe osiągnięcie, naukowcy opracowali najnowocześniejszy mikroskop, który wykorzystuje potężny laser podzielony na dwa komponenty – bardzo szybki impuls elektronowy i dwa ultrakrótkie impulsy świetlne. Pierwszy impuls światła, znany jako „impuls pompujący”, zasila próbkę, powodując ruch elektronów lub inne gwałtowne zmiany. Drugi impuls, określany jako „optyczny impuls bramkujący”, działa jak bramka, tworząc krótkie okno czasowe, podczas którego generowany jest pojedynczy attosekundowy impuls elektronowy. Czas tego impulsu bramkującego określa rozdzielczość wynikowego obrazu. Skrupulatnie synchronizując te dwa impulsy, naukowcy mogą precyzyjnie kontrolować, kiedy impulsy elektronowe oddziałują z próbką, umożliwiając im przechwytywanie i obserwowanie ultraszybkich procesów na poziomie atomowym.

Zapytany o znaczenie tego ważnego kamienia milowego i o to, co pozwoli nam zobaczyć, czego wcześniej nie mogliśmy, Hassan odpowiada: – Attomikroskopia łączy morfologię struktury materiału z jego dynamiką elektronową, dając nam możliwość obrazowania i kontrolowania prądów elektronowych oraz opracowywania elektroniki napędzanej polem laserowym milion razy szybciej niż obecne elektrony i może być tak mała, jak kilka nanometrów. Attomikroskopia ma wpływ nie tylko na zastosowania inżynieryjne, ale może również rozszerzyć się na chemię i biologię. Obserwacja ruchu elektronów za pomocą attomikroskopii może zostać przeniesiona na obserwację łamania i tworzenia się wiązań chemicznych. Ta nowa zdolność pozwoliłaby nam zrealizować długo oczekiwane marzenia chemików o kontrolowaniu reakcji chemicznych in situ. W ten sposób możemy tworzyć nowe cząsteczki i zrewolucjonizować obszar badań nad odkrywaniem leków.

Jeśli chodzi o zastosowania w naukach biologicznych, kierownik zespołu wyjaśnia: – Attomikroskopia skorzystałaby również z ogromnego postępu w krio-TEM, za który przyznano Nagrodę Nobla w 2017 r., aby zobaczyć ruch elektronów w cząsteczkach i próbkach biologicznych. Wyobraźmy sobie, że moglibyśmy zobaczyć, jak poruszają się elektrony i kontrolować je na żądanie, aby potwierdzić strukturę 3D DNA. To rzeczywiście otworzy drzwi do kolejnych przełomów naukowych i technologicznych. Co to oznacza dla postępów w technologii użytkowej? – Doskonałym tego przykładem jest to, że wykorzystaliśmy spostrzeżenia, których nauczyliśmy się z obrazowania ruchu elektronów w grafenie za pomocą atomikroskopii w tym badaniu, aby opracować attosekundowe przełączniki prądu i ultraszybką optoelektronikę opartą na grafenie w innej pracy, która jest obecnie publikowana – zdradza ekspert. Oznaczałoby to rozwój ultraszybkich, prawie sześć rzędów wielkości szybszych, tranzystorów optycznych, elektroniki fal świetlnych i optycznych komputerów kwantowych. – Attomikroskopia otworzyłaby nową furtkę w czasie, abyśmy mogli zobaczyć i zrozumieć kwantowe zachowanie elektronów w czasie rzeczywistym i przestrzeni. Mogłaby być potencjalnie kamerą kwantową do filmowania tego tajemniczego świata – podsumowuje naukowiec.