Самый быстрый микроскоп теперь ловит время в квинтиллионную долю секунды

Субатомный мир трудно увидеть не только потому, что он невероятно мал, но и потому, что он супербыстр. Физики из Университета Аризоны разработали самый быстрый в мире электронный микроскоп, чтобы фиксировать события, длящиеся всего одну квинтиллионную секунды. Научная статья с описанием вышла в Science Advances.

Хорошая фотокамера с выдержкой в миллисекунды (тысячные доли секунды) может сделать четкий снимок бегущего человека. Но самые быстрые «камеры» в мире — просвечивающие электронные микроскопы — могут запечатлеть события в масштабе аттосекунд, то есть «фотографии бегущих электронов. Аттосекунда — это одна квинтиллионная секунды. В одной секунде будет столько же аттосекунд, сколько секунд в 31,7 миллиарда лет — более чем в два раза больше, чем существует Вселенная.

Предыдущие попытки запечатлеть события на таком масштабе времени удавалось сократить до 43 аттосекунд, что исследователи в то время называли «самым коротким наблюдаемым событием, когда-либо созданным человечеством». Теперь ученые пошли еще дальше, заморозив время всего на одной аттосекунде.

Новая работа основана на исследованиях Пьера Агостини, Ференца Крауса и Анн Л’Юйер, которые сгенерировали первые световые импульсы, достаточно короткие для измерения в аттосекундах. Это принесло Нобелевскую премию по физике в 2023 году.

Для нового исследования ученые разработали то, что они называют «аттомикроскопом». Сначала импульс ультрафиолетового света выстреливается в фотокатод, который высвобождает сверхбыстрые электроны внутри аттомикроскопа. Затем лазерный импульс разделяется на два луча, которые посылаются в электроны, движущиеся через микроскоп. Один из этих лучей поляризован, и они приходят немного в разное время. Используя эту технику, команда смогла сгенерировать электронные импульсы длительностью всего в одну аттосекунду, что позволило им наблюдать сверхбыстрое движение электронов, которое было невозможно увидеть.

Прорыв может иметь применение в квантовой физике, химии и биологии.

«Мы все хотим видеть движение электронов. Впервые мы можем видеть часть электрона в движении», — сказал Мохаммед Хассан, руководитель исследования.