Vědci z Arizonské univerzity vyvinuli technologii, která umožňuje sledovat pohyb elektronů v materiálech s neuvěřitelným časovým rozlišením – v řádu attosekund. Jedna attosekunda je miliardtina miliardtiny sekundy, což je tak krátký časový úsek, že během něj světlo urazí vzdálenost menší než průměr atomu.
Tento průlom otevírá nové horizonty pro studium kvantového světa a může vést k zásadním objevům v oblasti fyziky, chemie a biologie.
Tým vedený profesorem Mohammedem Hassanem tak zahájil éru „attomikroskopie“. Umožnil to jimi upravený transmisní elektronový mikroskop, který dokáže generovat extrémně krátké pulzy elektronů trvající méně než jednu femtosekundu (tisícina miliardtiny sekundy). To umožňuje zachytit ultrarychlé děje odehrávající se na úrovni atomů a elektronů.
„Attosekundová zobrazovací technologie může poskytnout více vhledů do pohybu elektronů a přímo ho propojit se strukturální dynamikou hmoty v reálném čase a prostoru,“ uvádí studie publikovaná v časopise Science Advances.
Jak funguje attomikroskop
Klíčem k dosažení attosekundového rozlišení je technika nazvaná „optické hradlování“. Můžeme si to představit jako velmi rychlou uzávěrku fotoaparátu, ale pracující s elektrony místo světla. Výzkumníci použili speciálně tvarovaný laserový pulz k velmi přesnému časovému ovládání elektronového svazku v mikroskopu.
Laserový pulz má lineárně polarizovanou centrální část trvající pouhých 625 attosekund, zatímco jeho okraje jsou kruhově polarizované. Když tento pulz prochází tenkou hliníkovou mřížkou umístěnou těsně nad zkoumaným vzorkem, vytvoří se rychle doznívající elektromagnetické pole. To se pak velmi krátce střetne s hlavním elektronovým svazkem mikroskopu a „vyřízne“ z něj extrémně krátký elektronový pulz v řádu attosekund.
Tyto attosekundové elektronové pulzy pak mohou být použity k „nasvícení“ vzorku v přesně definovaných časových okamžicích, podobně jako při použití stroboskopu. Tím lze získat sérii „snímků“, které dohromady vytvoří film zobrazující ultrarychlý pohyb elektronů v materiálu.
Pozorování tance elektronů v grafenu
Pro demonstraci schopností svého attomikroskopu se vědci zaměřili na studium elektronové dynamiky v grafenu – materiálu tvořeném jednou vrstvou atomů uhlíku uspořádaných do šestiúhelníkové struktury.
Grafen vystavili krátkému, ale intenzivnímu laserovému pulzu, který vybudil elektrony do vyšších energetických stavů. Pak pomocí attosekundových elektronových pulzů sledovali, jak se tyto vybuzené elektrony pohybují v materiálu.
„Pozorovali jsme, že intenzita rozptýlených elektronů se mění v závislosti na čase s periodou odpovídající polovině cyklu budícího laserového pole,“ vysvětluje Hassan. „To nám umožnilo přímo sledovat, jak se elektrony pohybují mezi atomy uhlíku v grafenové mřížce v reakci na laserový pulz.“
Výsledky ukázaly, že pohyb elektronů v grafenu je extrémně rychlý a komplexní. Elektrony se nepohybují jednoduše tam a zpět, ale vykonávají složitý „tanec“ v rámci šestiúhelníkové struktury grafenu. Tento pohyb je navíc silně ovlivněn směrem a intenzitou budícího laserového pole.
Budoucnost kvantového zobrazování
Dlouho očekávaná možnost zobrazit pohyb elektronů v akci může odhalit elektronovou dynamiku v komplexních a kvantových systémech a slibuje prolomit nové hranice ve fyzice, chemii, biochemii a biologii.
Potenciální aplikace zahrnují vývoj nových elektronických součástek pracujících na petahertzových frekvencích (milion miliard cyklů za sekundu), studium průběhu chemických reakcí s bezprecedentním časovým rozlišením, či sledování přenosu energie v biologických systémech na úrovni jednotlivých molekul, ať již jde o fotosyntézu nebo přenos nervových signálů.
Technologie attomikroskopie je stále v počátcích a vyžaduje další vývoj. Současné experimenty jsou náročné na realizaci. Výzkumníci však věří, že v budoucnu bude možné tuto technologii zjednodušit a zpřístupnit širšímu okruhu vědců.
