Наша способность видеть происходящее в мире на субатомном уровне ограничена не только разрешающей способностью наших глаз и техники, но также скоростью. Частицы, из которых состоят атомы, в теории могут двигаться со скоростью, приближающейся к скорости света. На практике большинство из них двигаются гораздо медленнее, но всё же слишком быстро для человеческого глаза или научных инструментов. Как следствие, визуализация электронов всегда была непростой задачей для учёных, однако с развитием новых методов микроскопической визуализации исследователям наконец удалось запечатлеть их в движении в реальном времени. Сделать это позволил самый быстрый микроскоп в мире, получивший прозвище «аттомикроскоп».

Команда физиков из Университета Аризоны в Тусоне разработала так называемый аттомикроскоп, способный визуализировать объекты исследования – электроны – в их естественном масштабе времени. Одна аттосекунда – это одна квинтиллионная секунды: соотношение равное отношению одной секунды к 31,7 млрд лет. Аттомикроскоп представляет собой просвечивающий электронный микроскоп, получающий изображения при помощи проходящего через образец не луча света, но пучка электронов. В качестве образцов, как правило, выступают самые миниатюрные структуры физического мира – тончайшие срезы тканей и клеток. В отличие от обычной камеры, ПЭМ полагается не на выдержку, но на скорость импульсов лазера, переносящего электроны. Чем больше скорость импульсов, тем выше разрешение итогового изображения. Потому развитие данной технологии всегда двигается навстречу получения лазера, способного выдавать максимальное число коротких импульсов за отведённое количество времени.

До недавнего времени минимальной продолжительность импульсов лазера были несколько аттосекунд. Это невероятный показатель, которого, однако всё же недостаточно для визуализации движения электронов. Такие микроскопы генерируют серию качественных изображений, но из-за более высокой скорости движения электронов существенная часть изменений в них теряется в промежутках между импульсами. Потому физики Дандан Хуэй, Хусаин Аль-Кахтан и Мохаммед Хассан из Университета Аризоны решили найти способ максимально сократить продолжительность импульса до аттосекунды, чтобы ПЭМ смог сделать стоп-кадры движения электронов, улавливая каждое изменение частиц.

Результатом их работы стал аттомикроскоп, который использует не обычный, но тройной импульс. Первым следует так называемый импульс накачки – луч УФ света, нацеленный в графен: подавая энергию в образец, он высвобождает электроны. Затем второй поляризованный световой луч – строб-импульс – направляют уже в движущиеся внутри микроскопа электроны. За счёт поляризации второго светового импульса в ПЭМ создаётся окно времени, в котором через электроны проходит последний лазерный аттосекундный импульс. Именно его скорость определяет разрешение изображения. Благодаря синхронизации последних импульсов учёные получают карту динамики электронов, раскрывающую особенности движения частиц. Исследователи ожидают, что развитие аттомикроскопии откроет новые знания в сфере квантовой физики, химии и биологии за счёт углубления нашего понимания о поведении электронов.