Nhóm nghiên cứu vừa chế tạo kính hiển vi nhanh nhất thế giới, có khả năng ghi lại chuyển động của electron, mở ra cơ hội quan sát thế giới lượng tử.

Với kính hiển vi tiên tiến này, các nhà khoa học có thể giúp nhân loại khám phá sâu hơn bản chất của thế giới lượng tử và các vật thể xung quanh chúng ta.

Kính hiển vi điện tử hiện tại đã giúp chúng ta quan sát những vật thể trong thế giới vi mô chưa từng thấy. Tuy nhiên, với kính hiển vi mới, các nhà nghiên cứu đã mở rộng khả năng này bằng cách ghi lại chuyển động của electron với tốc độ nhanh chóng.

Là phiên bản nâng cấp của kính hiển vi điện tử truyền qua, thiết bị này có khả năng chụp ảnh electron đang di chuyển bằng cách phát các xung electron kéo dài một phần quintillion giây (1/10^-18 giây, tức một phần tỷ tỷ giây).

Đây là một thành tựu quan trọng trong lĩnh vực khoa học: Các electron chuyển động với tốc độ khoảng 1367 dặm mỗi giây (2.200 km mỗi giây), đủ nhanh để vòng quanh Trái Đất chỉ trong 18,4 giây.

Sử dụng kính hiển vi này trên các hạt cực nhỏ, các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ khám phá thêm về chuyển động của chúng. Phát hiện của họ đã được công bố vào ngày 21 tháng 8 trên tạp chí Science Advances.

'Kính hiển vi điện tử truyền qua này giống như một camera cực mạnh trên các smartphone hiện đại; nó cho phép chúng ta ghi lại những thứ mà trước đây không thể nhìn thấy, chẳng hạn như electron,' chia sẻ Mohammed Hassan, phó giáo sư vật lý và khoa học quang học tại Đại học Arizona. 'Với kính hiển vi này, chúng tôi kỳ vọng cộng đồng khoa học sẽ hiểu rõ hơn các hiện tượng vật lý lượng tử liên quan đến hành vi và chuyển động của electron.'

Việc các electron sắp xếp và thay đổi vị trí bên trong nguyên tử và phân tử là một vấn đề quan trọng trong vật lý và hóa học cơ bản, nhưng sự chuyển động nhanh chóng của chúng làm cho việc nghiên cứu trở nên cực kỳ khó khăn.

Vào đầu những năm 2000, để có được thời gian phơi sáng đủ ngắn để ghi lại chuyển động của electron, các nhà vật lý đã phát triển các phương pháp tạo xung trong khoảng thời gian chỉ attosecond (1x10^-18 giây) - một bước tiến đã góp phần giúp các nhà khoa học đoạt giải Nobel Vật lý năm 2023.

Bằng cách giảm thời gian phơi sáng của kính hiển vi xuống vài attosecond (một phần tỷ tỷ giây), các nhà vật lý đã khám phá được cách các electron mang điện hoạt động trong các chất bán dẫn và nước lỏng, cũng như cách các liên kết hóa học giữa các nguyên tử bị phá vỡ.

Dù thời gian phơi sáng đã giảm xuống chỉ vài phần tỷ tỷ giây, vẫn chưa đủ để ghi lại chuyển động riêng lẻ của các electron. Để khắc phục điều này, các nhà vật lý đã điều chỉnh một súng electron để tạo ra xung trong thời gian chỉ một attosecond.

Các xung này tác động lên mẫu nghiên cứu, khiến các electron khi đi qua bị chậm lại và làm biến dạng mặt sóng của chùm electron. Chùm electron chậm sau đó được phóng đại qua một thấu kính và tiếp tục đập vào một vật liệu huỳnh quang, phát sáng khi chùm tia chạm xuống.

Bằng cách kết hợp xung electron với hai xung ánh sáng được đồng bộ hóa chính xác (để kích thích electron trong vật liệu và tạo ra xung electron tương ứng), các nhà nghiên cứu đã có thể quan sát chuyển động cực nhanh của electron bên trong nguyên tử.

'Với kính hiển vi điện tử truyền qua mới, chúng tôi đạt được độ phân giải thời gian attosecond - và chúng tôi gọi nó là 'attomicroscopy',' ông Hassan cho biết. 'Đây là lần đầu tiên chúng ta có thể quan sát các phần chuyển động của electron.'