นักวิทย์สร้างกล้องจุลทรรศน์ จับภาพอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ได้

นักวิทยาศาสตร์สร้างกล้องจุลทรรศน์ที่ ‘เร็วที่สุดในโลก’ จนสามารถมองเห็นอิเล็กตรอนเคลื่อนไหวได้แบบ ‘หยุดนิ่ง’ อุปกรณที่พัฒนาขึ้นมาใหม่นี้สามารถบันทึกช่วงเวลาได้ละเอียดถึง 1 ในล้านล้านล้านวินาที

มนุษย์ได้ประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนมาเป็นเวลานานเกือบศตวรรษแล้ว ซึ่งใช้การยิ่งอิเล็กตรอนจำนวนมากไปยังวัตถุขนาดเล็กที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า เพื่อสร้างขึ้นมาเป็นภาพที่มีรายละเอียดให้ศึกษา กระนั้นนักวิทยาศาสตร์ก็ไม่รู้เลยว่าอิเล็กตรอนเหล่านั้นที่ถูกยิงออกไปจริง ๆ แล้วพวกมันเคลื่อนไหวกันอย่างไร?

ทีมวิจัยที่นำโดยมหาวิทยาลัยแอริโซนาจึงพัฒนากล้องจุลทรรศน์แบบใหม่ที่สามารถจับภาพอิเล็กตรอนได้อย่างชัดเจนจนสามารถมองเห็นส่วนประกอบแต่ละชิ้นได้ แม้ว่าอิเล็กตรอนเหล่านั้นจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วระดับ ‘อัตโตวินาที’ หรือ 1 ในล้านล้านล้านวินาทีก็ตาม และคั้งชื่อว่า “attomicroscopy”

“ด้วยกล้องจุลทรรศน์รุ่นนี้ เราหวังว่าชุมชนวิทยาศาสตร์จะเข้าใจฟิสิกส์ควอนตัมที่อยู่เบื้องหลังพฤติกรรมของอิเล็กตรอนและการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน” Mohammed Hassan รองศาสตราจารย์สาขาฟิสิกส์และวิทยาศาสตร์ออปติกของมหาวิทยาลัยแอริโซนา กล่าว

โดยทั่วไปแล้วกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนจะใช้เลเซอร์ในการสร้างลำแสงอิเล็กตรอนแบบพัลส์ (เป็นจังหวะ) เพื่อยิงอิเล็กตรอนออกไป ยิ่งพัลส์สั้นภาพก็จะยิ่งเร็วยิ่งขึ้นและได้ความคมชัดยิ่งขึ้น ซึ่งที่ผ่านมานักวิทยาศาสตร์ทำได้เร็วที่สุดเพียงไม่กี่อัตโตวินาที

ดังนั้นหากนำไปใช้ศึกษาการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ผู้สังเกตการณ์ก็จะพลาดการเคลื่อนที่บางส่วนไป ด้วยเหตุนี้พวกเขาจึงต้องสร้างกล้องจุลทรรศน์แบบใหม่ขึ้นมาที่สามารถยิงพัลส์ได้ระดับ 1 อัตโตวินาที ด้วยข้อมูลจากผลงานของนักฟิสิกส์ที่ได้รับรางวัลโนเบลปี 2023 งานก็ได้เริ่มต้นขึ้น

กล้องจุลทรรศน์แบบใหม่นี้จะแยกเลเซอร์ออกเป็นพัลส์อิเล็กตรอน 1 พัลส์และพัลส์แสงสั้น ultrashort light อีก 2 พัลส์ ซึ่งพัลส์แรกจะให้พลังงานแก่อิเล็กตรอนให้เคลื่อนที่ผ่านสิ่งที่เรียกว่าประตูแสง จากนั้นพัลส์อิเล็กตรอน 1 อัตโตวินาทีก็จะถูกปล่อยออกมา

เมื่อพัลส์ทั้งหมดสอดแทรกกันอย่างเหมาะสมอ นักวิทยาศาสตร์ก็จะได้ภาพเหตุการณ์ของอะตอมด้วยความละเอียดเชิงเวลาในระดับอัตโตวินาที ทั้งหมดนี้อาจฟังดูเป็นเรื่องฟิสิกส์จนคนทั่วไปอาจจินตนาการตามได้ยาก แต่ท้ายที่สุดแล้วกล้องจุลทรรศน์นี้ได้ให้เป็นผลลัพธ์เป็นรูปถ่ายอิเล็กตรอนได้อย่างน่าทึ่ง

“การปรับปรุงความละเอียดเชิงเวลาภายในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนนั้น ถูกคาดหวังมานานแล้วและเป็นจุดสนใจของกลุ่มวิจัยหลายกลุ่ม” Hassan กล่าว “เป็นครั้งแรกที่เราสามารถเห็นชิ้นส่วนของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้”

ตามบทคัดย่อของการศึกษาทีมวิจัยระบุว่ากล้องใหม่นี้จะช่วยให้นักฟิสิกส์ นักวิทยาศาสตร์ด้านแสง และผู้เชี่ยวชาญคนอื่น ๆ สามารถศึกษาการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในรายละเอียดที่ไม่เคยมีมาก่อน และเกี่ยวข้องโดยตรงกับโครงสร้างของสสารในโดเมนเวลาจริงกับอวกาศ กล่าวอีกนัย นี่จะเป็นประโยชน์กับวิทยาศาสตร์ทุกสาขา

สิ่งนี้จะช่วยปูทางไปสู่ “การประยุกต์ใช้ศาสตร์ของอัตโตวินาทีในชีวิตจริงของฟิสิกส์ควอนตัม เคมี และชีววิทยา” รายงานระบุ

ที่มา

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp5805

https://www.iflscience.com/worlds-fastest-microscope-can….

https://www.popsci.com/science/fastest-electron-microscope/

https://phys.org/…/2024-08-world-fastest-microscope…

Photo : Mohammad Hasan/University of Arizona