Nuovo microscopio incredibilmente veloce può vedere gli elettroni in movimento

Il microscopio più veloce del mondo funziona a una velocità così sorprendente che è il primo dispositivo in assoluto in grado di catturare un’immagine nitida degli elettroni in movimento.

Il microscopio più veloce del mondo

Si tratta di un’impresa notevole: gli elettroni viaggiano a circa 2.200 chilometri al secondo (1.367 miglia al secondo), il che li rende in grado di circumnavigare la Terra in soli 18,4 secondi.

Sviluppato dai ricercatori dell’Università dell’Arizona, che hanno pubblicato il loro lavoro sulla rivista Science, il microscopio utilizza impulsi di elettroni alla velocità di un singolo attosecondo, ovvero un quintilionesimo di secondo, per catturare “fotogrammi fissi” delle particelle subatomiche, che viaggiano abbastanza velocemente da compiere un’orbita attorno alla Terra in pochi secondi.

Si tratta di un progresso potenzialmente rivoluzionario che potrebbe consentire agli scienziati di comprendere cosa accade agli elettroni durante interazioni ultraveloci, come la rottura di un legame chimico.

Una risoluzione temporale di attosecondi

“Per la prima volta, siamo in grado di raggiungere una risoluzione temporale di attosecondi con il nostro microscopio a trasmissione elettronica, e l’abbiamo coniato ‘attomicroscopia‘”, ha affermato il coautore dello studio Mohammed Hassan, Professore associato di fisica e scienze ottiche presso l’U of A: “Possiamo vedere pezzi di elettroni in movimento”.

I precedenti microscopi elettronici si sono avvicinati a questa impresa, raggiungendo velocità di diversi attosecondi anziché di uno solo.

Questa differenza è un’eternità a livello subatomico: senza una “risoluzione temporale” più elevata, gli scienziati non sono stati in grado di osservare alcune delle sottigliezze delle varie interazioni di un elettrone mentre si verificavano.

In termini fotografici, i microscopi semplicemente non avevano una velocità di otturazione sufficientemente elevata o un frame rate sufficientemente elevato.

Per migliorare questi studi, i ricercatori dell’Arizona hanno progettato il loro “attomicroscopio” per dividere un laser in un impulso di elettroni e due impulsi di luce. Il modo in cui lavorano insieme è fondamentale: non basta semplicemente che l’impulso di elettroni, che esegue l’imaging vero e proprio, sia super-veloce.

Quello che accade, quindi, è che il primo impulso luminoso eccita gli elettroni bersaglio mettendoli in movimento, operazione che viene attentamente sincronizzata con un secondo impulso luminoso che prepara l’impulso elettronico a colpire l’istante in cui le particelle vengono messe in movimento.

Da lì, le interazioni che si verificano tra i fasci di elettroni del microscopio e il campione vengono catturate dal sensore di una telecamera e riunite per formare un’immagine.

“Questo microscopio elettronico a trasmissione è come una macchina fotografica molto potente nell’ultima versione degli smartphone; ci consente di scattare foto di cose che prima non eravamo in grado di vedere, come gli elettroni“.

Il modo in cui gli elettroni si dispongono e riorganizzano all’interno di atomi e molecole è una questione essenziale sia in fisica che in chimica, ma la natura dinamica di queste minuscole particelle rende il loro studio estremamente difficile.

Per creare un tempo di esposizione in grado di catturare i movimenti degli elettroni, nei primi anni del 2000 i fisici hanno sviluppato metodi per generare minuscoli impulsi di attosecondi (o 1X10^-18 secondi), un progresso che è valso agli scienziati che lo hanno conseguito il premio Nobel per la fisica nel 2023.

Conclusioni

Riducendo il tempo di esposizione dei microscopi alla scala di pochi attosecondi (un attosecondo è per un secondo ciò che un secondo è per l’età dell’universo), i fisici hanno chiarito il modo in cui gli elettroni trasportano la carica , come si comportano all’interno dei semiconduttori e dell’acqua liquida e come si sciolgono i legami chimici tra gli atomi.

Anche la scala di pochi attosecondi è troppo grande per catturare i singoli movimenti degli elettroni. Per riuscirci, i fisici del nuovo studio hanno modificato un cannone elettronico del microscopio fino a quando non ha prodotto un impulso di un solo attosecondo.

Questi impulsi colpiscono il “campione” in fase di studio e, mentre gli elettroni lo attraversano, rallentano e cambiano la forma del fronte d’onda del fascio di elettroni. Il fascio rallentato viene quindi ingrandito da una lente e colpisce un materiale fluorescente che si illumina quando il fascio vi atterra sopra.