عکس برداری از الکترونهای موجود در بلورها با لیزر
الکترونهای بلور کلسیم فلوراید
میکروسکوپ های نور مرئی به دانشمندان این امکان را می دهند تا اجزای ریز مانند سلول های زنده را ببینند. با این حال، آنها نمی توانند تشخیص دهند که چگونه الکترونها در اتمهای مواد جامد توزیع می شوند. پروفسور گولیلماکیس[۱] از دانشگاه روستوک و مؤسسه ماکس پلانک در آلمان با همکاری آکادمی علوم چین در پکن، نوع جدیدی از میکروسکوپ نوری به نام پیکوسکوپ را اختراع کرده اند که بر این محدودیت غلبه می کند.
این محققین پرتوهای لیزری قدرتمند را به فیلم های نازک مواد بلوری تاباندند. این پالس های لیزری الکترون های کریستال را به یک حرکت جنبشی سریع وا می دارند. وقتی این الکترونها به الکترونهای اطراف برخورد می کنند، بالاترین فرکانس فرابنفش طیف را تابش می کنند. محققین با تجزیه و تحلیل خواص این تابش، تصاویری تهیه کردند که چگونگی توزیع ابر الکترونی بین اتمها در شبکه بلوری جامدات را با وضوح چند ده پیکومتری نشان می دهد. این آزمایشات زمینه را برای کلاس جدیدی از میکروسکوپ های مبتنی بر لیزر فراهم می کند که می تواند به فیزیکدانها، شیمیدانان و دانشمندان علم مواد کمک کند تا جزئیات میکروسکوپی را با وضوح بی سابقه بررسی کنند و به درک و در نهایت کنترل خواص شیمیایی و الکترونیکی مواد بپردازند.
چندین دهه است که دانشمندان از فلاش های لیزر برای درک عملکرد داخلی جهان میکروسکوپی استفاده کرده اند. چنین فلاش های لیزری اکنون می توانند فرآیندهای میکروسکوپی فوق سریع درون مواد جامد را ردیابی کنند. با این وجود، آنها نمی توانستند موقعیت مکانی الکترونها را بررسی کنند، یعنی ببینند که چگونه الکترونها در یک زمان مشخص فضای بین اتم ها را در بلورها اشغال می کنند، یا چگونه پیوندهای شیمیایی که اتمها را در کنار هم نگه می دارند، شکل می گیرند. ارنست ابه[۲] بیش از یک قرن پیش دلیل این ضعف را کشف کرد. نور مرئی فقط می تواند اشیاء را متناسب با طول موج خودش تشخیص دهد، یعنی تقریباً چند صد نانومتر. اما برای دیدن الکترونها، باید قدرت بزرگنمایی میکروسکوپها را چند هزار برابر افزایش دهند.
برای غلبه بر این محدودیت، گولیلیماکیس و همکارانش مسیری متفاوت را طی کردند. آنها میکروسکوپی را اختراع کردند که با پالسهای قدرتمند لیزر کار می کرد. آنها دستگاه خود را پیکوسکوپ نوری لقب دادند.
هنگامی که پالس لیزر به درون کریستال نفوذ می کند، می تواند یک الکترون را گیر انداخته و آن را به نوع خاصی از جنبیدن سریع وادارد. با این حرکت الکترونی، فضای اطراف آن احساس می شود، درست مانند راننده اتومبیلی که یک جاده با سطح ناهموار و پر پیچ و خم را احساس می کند. هنگامی که الکترون های هدایت شده با لیزر از یک برآمدگی ساخته شده توسط الکترونها یا اتمهای دیگر عبور می کنند، کند می شوند و پرتویی با فرکانسی بسیار بالاتر از لیزر تابش شده از خود ساطع می کنند. محققین با ضبط و تجزیه و تحلیل خواص این پرتو می توانند شکل این برآمدگی ها را استنباط کرده و تصاویری را ترسیم کنند که نشان می دهد چگالی الکترون در کدام قسمت بلور کمتر یا بیشتر است. در واقع پیکوسکوپی لیزری، مشاهده درون حجمی از مواد را، مانند پرتوهای ایکس و بررسی الکترون های ظرفیتی میسر کرده، چیزی که پیش از این با میکروسکوپ های تونل زنی روبشی[۳] و فقط روی سطح امکان پذیر بود.
شنگ منگ[۴] از انستیتوی فیزیک پکن و فیزیکدان نظریه پرداز حالت جامد در این تیم تحقیقاتی میگوید: “با یک میکروسکوپ که قادر به بررسی چگالی الکترون های ظرفیتی است ما به زودی می توانیم عملکرد ابزارهای فیزیک حالت جامد محاسباتی را محک بزنیم و خواهیم توانست مدلهای جدیدتری را برای پیش بینی خواص مواد با جزییات بسیار دقیقتر، بهینه سازی کنیم و این همان جنبه هیجان انگیز پیکوسکوپ لیزری است.”
محققین در تلاشند تا این تکنیک را هر چه بیشتر توسعه دهند. آنها قصد دارند الکترونها را در سه بعد مورد بررسی قرار دهند و این روش را با طیف گسترده ای از مواد، از جمله مواد دو بعدی و توپولوژیکی محک بزنند. از آنجا که پیکوسکوپی لیزری می تواند به راحتی با تکنیک های دیگر ترکیب شود، به زودی ضبط فیلم های واقعی از الکترونها در مواد امکان پذیر خواهد شد که این یک رویای طولانی مدت در علوم فوق سریع و مطالعات میکروسکوپی مواد بوده است.
Sources: https://phys.org/news/2020-07-laser-pictures-electrons-crystals.html
https://scitechdaily.com/light-picoscope-laser-takes-pictures-of-electrons-in-crystals/
[۱] Eleftherios Goulielmakis
[۲] Ernst Abbe
[۳] Scanning Tunneling Microscopes
[۴] Sheng Meng