Elektronok mozgása: először fotóztak le kimerevítve elektront

Egy újonnan kifejlesztett és rendkívül nagy teljesítményű készülékkel lehetségessé vált a másodperc kvintilliod részének megfelelő pillanatok megörökítése. Az Arizonai Egyetem kutatói bejelentették, hogy sikerült megalkotniuk a világ leggyorsabb elektronmikroszkópját, amely többek között áttörést hozott az elektronok mozgása tanulmányozásában, mivel a műszer egyetlen attoszekundumos intervallumot is képes rögzíteni. A készülék teljesítményét jól illusztrálja, hogy a tudomány történetében először sikerült elektront kimerevítve megörökíteni.

Felfoghatatlan időintervallum: az attoszekundum és az elektronok mozgása
Egyetlen attoszekundum az idő elképesztő, az emberi elme számára szinte felfoghatatlan töredéke, ami egyenértékű a másodperc egymilliárd részével. 

Összehasonlításképpen;  ezek száma egyetlen másodpercben nagyjából megegyezik a világegyetem 13,7 milliárd évvel ezelőtti keletkezése óta eltelt másodpercek számával. 

Az elektronmikroszkópok lézereket használnak az impulzusos elektronsugarak generálására. Ezeket a nyalábokat a vizsgált rendkívül apró tárgyak, például az atom láthatóvá tételére használják, és minél rövidebbek, annál gyorsabb és jobb minőségű a kép. Egészen mostanáig, az új eszköz kifejlesztéséig a generált nyalábok néhány attoszekundum hosszúak voltak, ezért ha például egy elektron mozgásának tanulmányozására használták az eddigi eszközöket, legfeljebb csak egy elmosódott képet kaptak.

A világ leggyorsabb elektronmikroszkópja képes megfigyelhetővé tenni a elektronok mozgását
Fotó: Realme/Arizona State University

 Egy attoszekundumnál az elektronok mozgása virtuálisan már „lefagyasztható”, mivel a sugár, vagyis a fényimpulzus sebessége ilyenkor megegyezik a célelektronéval. Az elektron olyan negatív töltésű elemi részecske, amely az atommagokkal együtt kémiai részecskéket alkot. (Az elektron az atommag pozitív töltésű részecskéje, a proton tömegének 1/1836-oda.) Az elektronok felelősek a kémiai kötésekért. ( A kémiai reakciók az atommagok körüli elektronhéjakon, az atomfizikai jelenségek pedig az atommagban zajló folyamatokra vezethetők vissza.) 

A kémiai kötésekért az atomok eeletronhéjai felelősek
Fotó: Realme Community

Erwin Schrödinger Nobel-díjas osztrák kvantumfizikus írta le először az atommag vonzása alatt álló elektron mozgását hullámegyenletként, a róla elnevezett Schrödinger-egyenlettel, bebizonyítva az elektron kettős (részecske és hullám) természetét, és megteremtve a kvantumfizika újabb dimenzióit. Az elektronnak nincs ismert belső szerkezete, a modellek kiterjedés nélküli tömegpontnak, illetve ponttöltésnek tekintik. Mivel az elektronok a kémiai kötéseken kívül több fizikai jelenségben, így többek között az elektromosságban, a mágnesességében és a hővezetésen is kulcsfontosságúak, ezért komoly jelentőséggel és tudományos értékkel bír az elektronok mozgásának jobb megértése.

Hogyan látják a mikroszkópok az elektronok mozgását?
„Ha egy okostelefon legújabb verzióját szerezzük be, jobb kamerával érkezik mint az elődje" - mondja dr. Mohammed Hassan, az Arizonai Egyetem fizika és optikai tudományok docense, a tanulmány vezető szerzője. "Ez az általunk kifejlesztett transzmissziós elektronmikroszkóp olyan, mint egy nagyon erős kamera az okostelefonok legújabb verziójában, mert lehetővé teszi számunkra olyan dolgok megörökítését is, amiket korábban még nem láthattunk – például az elektronokat”- szemlélteti az új eszköz jelentőségét dr. Hassan - Reméljük, hogy az új mikroszkóp segítségével a tudományos közösség jobban megérti az elektronok viselkedése és mozgása mögött rejlő kvantumfizikát"- magyarázza a tanulmány vezető szerzője. 

Az Arizonai Egyetem docense, dr. Mohammed Hassan, a világ leggyorsabb elektronmikroszkópját kifejlesztő kutatócsoport vezetője, amellyel először lehetséges megfigyelni az elektronok mozgását
Fotó: Arizona State University

Ez az áttörés az attoszekundumos fizika több évtizedes kutatására épül, amelynek tavaly három úttörője – Pierre Agostini, Anne L’Huillier, és a magyar Krausz Ferenc – kapott fizikai Nobel-díjat. Az évek óta tartó munka ellenére ez a tudományterület még meglehetősen fiatalnak számít, éppen ezért rendelkezik sok potenciállal. „Nagyon az elején tartunk, éppen ezért még mindig csak alapkutatásról beszélhetünk."

Krausz Ferenc (középen), Pierre Agostini és Anne L’Huillier, a 2023-as év fizikai Nobel-díjasai, akik az attoszekundumos kutatásaikért nyerték el a tudományos világ legmagasabb elismerését
Fotó:  MTI/Koszticsák Szilárd

- De az az ötlet, hogy elkezdjük irányítani az elektronokat és meg tudjuk mérni az elektronok mozgását az anyagban, illetve talán egy kicsit irányítani tudjuk ezt a mozgást, rendkívül fontos lehet valamilyen kémiai vagy esetleg biológiai folyamat későbbi irányításához” –nyilatkozta Anne L’Huillier Nobel-díjas professzor az Ilf Science tudományos portálnak.

Hogyan javítja az attoszekundumos mikroszkóp a kutatást?
A forradalmian új elektronmikroszkópos megfigyelési módszer az ultrarövid fényimpulzusokat - az attoszekundumos fizika alapját-, elektronsugaras impulzussal együtt alkalmazza. Az impulzusok gondos szinkronizálása az, ami lehetőséget biztosított az ultragyors folyamatok atomi szintű megfigyelésére. "Az elektronmikroszkópok időbeli felbontásának javulását már régóta várták, az ezzel kapcsolatos fejlesztések pedig sok kutatócsoport munkájának állnak a középpontjában, mert mindannyian látni szeretnénk az elektronok mozgását" – mondja dr. Mohhamed Hassan. 

A villám főként elektronfolyamból áll
Fotó: Wikimedia Commons/Mircea Madau

Eddig az volt a legfőbb probléma, hogy ezek a mozgások kivétel nélkül attoszekundum alatt mennek végbe, 

és nem volt olyan sebességű, illetve felbontású műszer, amely alkalmas lett volna ilyen elképesztően gyors mozgás - mint amilyen az elektronok mozgása- megfigyelésére. „Most először tudunk attoszekundumos időbeli felbontást elérni elektrontranszmissziós mikroszkópunkkal – ezzel pedig mi alkottuk meg attomikroszkópiát –, melynek köszönhetően először láthatjuk az elektronok mozgását" -értékeli a felfedezés, illetve fejlesztés jelentőségét az Arizonai Egyetem docense. A tanulmány teljes terjedelmében a Science Advances szakfolyóiratban olvasható el angol nyelven.