Các nhà khoa học tạo ra loại kính hiển vi nhanh nhất thế giới, ghi hình được cả chuyển động của electron, mở ra cánh cửa quan sát cả thế giới lượng tử

Các loại kính hiển vi điện tử đang mở ra cánh cửa giúp con người quan sát được các vật thể trong thế giới siêu vi chưa từng thấy trước đây. Thế nhưng với các nhà khoa học, cánh cửa đó lại mới được mở rộng ra hơn nữa khi họ phát triển một loại kính hiển vi mới có tốc độ cao đến mức có thể chụp ảnh được các hạt điện tử đang chuyển động.

Vốn là một phiên bản cải tiến của kính hiển vi điện tử truyền qua (transmission electron microscope), thiết bị này chụp được hình ảnh các electron đang chuyển động bằng cách bắn vào chúng các xung electron kéo dài một phần quintillion giây (bằng 1/10^-18 giây nghĩa là một phần tỷ tỷ giây).

Đây là một cột mốc đáng kể của ngành khoa học: Các electron di chuyển với tốc độ khoảng 1367 dặm mỗi giây (2.200 km mỗi giây), khiến chúng có khả năng bay vòng quanh Trái Đất chỉ trong 18,4 giây.

Bằng cách sử dụng kính hiển vi này trên các hạt cực nhỏ, các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ có những khám phá mới về cách chúng chuyển động. Các nhà nghiên cứu đã công bố phát hiện của họ vào ngày 21 tháng 8 trên tạp chí Science Advances.

"Kính hiển vi điện tử truyền qua này giống như một camera siêu mạnh trong các smartphone phiên bản mới nhất; nó cho phép chúng ta chụp ảnh những thứ mà trước đây chúng ta không thể nhìn thấy - như electron," tác giả chính Mohammed Hassan, phó giáo sư vật lý và khoa học quang học tại Đại học Arizona, cho biết trong một tuyên bố. "Với kính hiển vi này, chúng tôi hy vọng cộng đồng khoa học có thể hiểu được các hiện tượng vật lý lượng tử đằng sau cách một electron hoạt động và cách một electron di chuyển."

Cách các electron sắp xếp và tái sắp xếp bên trong các nguyên tử và phân tử là một câu hỏi tối quan trọng trong cả vật lý và hóa học cơ bản, nhưng tốc độ di chuyển quá nhanh của các hạt nhỏ bé này khiến chúng cực kỳ khó nghiên cứu.

Để tạo ra thời gian phơi sáng có khả năng chụp được chuyển động của electron, vào đầu những năm 2000, các nhà vật lý đã phát triển các phương pháp để tạo ra các xung trong khoảng thời gian chỉ attosecond (hay 1x10^-18 giây) - một bước tiến đã giúp các nhà khoa học đạt giải Nobel Vật lý năm 2023.

Bằng cách giảm thời gian phơi sáng của kính hiển vi xuống mức vài attosecond (một phần tỷ tỷ giây), các nhà vật lý đã giải mã được cách các hạt electron mang điện tích, cách chúng hoạt động bên trong các chất bán dẫn và nước lỏng, và cách các liên kết hóa học giữa các nguyên tử bị đứt gãy.

Nhưng ngay cả khi đã giảm thời gian phơi sáng xuống chỉ còn vài phần tỷ tỷ giây, chừng đó vẫn quá lớn để chụp được chuyển động riêng lẻ của các electron. Để làm được điều này, các nhà vật lý đứng sau nghiên cứu mới đã điều chỉnh một súng electron cho đến khi nó tạo ra một xung trong thời gian chỉ một attosecond.

Những xung này đập vào "mẫu" đang được nghiên cứu, và khi các electron đi qua nó, chúng chậm lại và thay đổi hình dạng của mặt sóng chùm electron. Chùm bị chậm lại sau đó được phóng đại bởi một thấu kính và sau đó đập vào một vật liệu huỳnh quang phát sáng khi chùm tia đáp xuống.

Bằng cách kết hợp xung electron với hai xung ánh sáng được đồng bộ hóa cẩn thận (để kích thích electron trong vật liệu chuyển động và hỗ trợ tạo ra xung electron tương ứng), họ đã có thể thăm dò chuyển động cực nhanh của electron bên trong các nguyên tử.

"Chúng tôi có thể đạt được mức phân giải thời gian attosecond với kính hiển vi điện tử truyền qua mới của mình - và chúng tôi gọi nó là 'attomicroscopy'," Hassan nói. "Lần đầu tiên, chúng ta có thể nhìn thấy các phần của electron đang chuyển động."