قام فريق من الباحثين في جامعة أريزونا الأمريكية بإنتاج أسرع مجهر إلكتروني على مستوى العالم، قادر على التقاط صور ثابتة لإلكترون يتحرك بسرعات عالية، مما يساهم في تحقيق تقدم ملحوظ في مجالات الفيزياء والكيمياء والهندسة الحيوية وغيرها.

العملية القيادية للبحث كانت تحت إشراف الدكتور محمد حسن، الأستاذ المساعد في قسم الفيزياء والعلوم البصرية في الجامعة، وقد تم نشر النتائج في مجلة “ساينس أدفانسز”.

تصوير مدهش

تتميز الإلكترونات بسرعتها العالية، حيث يمكن لها أن تسافر داخل الذرة بسرعة تصل إلى حوالي 2200 كيلومتر في الثانية. وعند تعزيزها بواسطة مجالات كهربائية، يمكن أن تصل تلك السرعات إلى حوالي 6000 كيلومتر في الثانية، وفي ظروف الطاقة العالية مثل مسرعات الجسيمات، يمكن للإلكترونات أن تقترب من سرعة الضوء، حيث تصل إلى 99.9999992% من سرعته.

وفي تصريح للدكتور حسن، يوضح: “هذا المجهر يشبه كاميرا متطورة للغاية مستخدمة في أحدث الهواتف الذكية، حيث يتيح لنا التقاط صور لأشياء لم نكن قادرين على رؤيتها من قبل، مثل الإلكترونات”. ويضيف “نأمل أن يساعد هذا المجهر المجتمع العلمي في فهم الفيزياء الكمومية المتعلقة بكيفية تصرف الإلكترونات وحركتها”.

هذا المجهر يمثل نسخة متطورة من المجهر الإلكتروني النافذ (ميكروسكوب الأتو)، والذي يُستخدم من قبل العلماء لتكبير الأشياء حتى ملايين المرات من حجمها الحقيقي، لرؤية تفاصيل صغيرة جدًا تصل دقتها إلى بضع نانومترات والتي يتعذر على المجهر الضوئي التقليدي رؤيتها.

على خلاف استخدام الضوء المرئي، يعمل المجهر الإلكتروني النافذ على تسليط حزم إلكترونات على العينة المدروسة، ويتم رصد التفاعل بين الإلكترونات والعينة من خلال العدسات، وكشف ذلك بواسطة مستشعر الكاميرا لإنشاء صور تفصيلية.

يتميز شعاع الإلكترونات بدقة أعلى مقارنة بالليزر التقليدي، ويسمح برؤية أشياء أصغر مثل الذرات، لأن له طول موجي أقصر بكثير. للتوضيح، يمكن تشبيه شعاع الضوء أو الإلكترونات بأنه موجة بحرية، حيث يمثل الطول الموجي المسافة بين قمة الموجة والأخرى.

كما أوضح بيان رسمي من جامعة أريزونا أن المجاهر الإلكترونية فائقة السرعة تم تطويرها استنادًا لهذه المبادئ في العقد الأول من القرن الـ21، حيث تستخدم الليزر لتوليد حزم نبضية من الإلكترونات التي تُسلط على العينات، وتحدد دقة المجهر الإلكتروني النافذ من خلال طول نبضات الإلكترونات.

أصغر لحظة نعرفها

تعمل المجاهر الإلكترونية فائقة السرعة من خلال إنتاج سلسلة من النبضات بسرعات تصل إلى حد الأتو ثانية، وهي جزء من كونتيليون جزء من الثانية، حيث تمثل الكونتيليون الرقم 1 متبوعًا بـ 18 صفرا.

تنشئ هذه النبضات سلسلة من الصور، مثل الإطارات في الفيلم، يقوم العلماء بجمعها للحصول على مجموعة متكاملة من المعرفة حول العينة.

لكي يتمكن الباحثون في جامعة أريزونا من رؤية إلكترون واحد، ابتكروا طريقة لتوليد نبضة إلكترونية واحدة لكل أتو ثانية، وهي نفس سرعة حركة الإلكترونات. ويمكن تشبيه ذلك برفع سرعة الستار لالتقاط صورة للاعب كرة قدم في الملعب، فيبدو وكأنه ثابت.

كما يوضح البيان الصادر عن جامعة أريزونا أن الدكتور حسن وفريقه اعتمدوا على الأعمال السابقة لبيير أغوستيني وفيرينك كراوس وآنا لويليير، الذين حصلوا على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2023 لتوليدهم أول نبضة إشعاع فوق بنفسجي ديناميكية بكفاءة يمكن قياسها بزمن الأتو ثانية.

ويضيف الدكتور حسن في تصريحه “لقد كانت تحسينات الدقة الزمنية داخل المجاهر الإلكترونية تمثل طموحات كبيرة منذ زمن بعيد، وتعتبر محور اهتمام العديد من مجموعات البحث، لأن جميعنا نرغب في رؤية حركة الإلكترونات”.