Dünyanın En Hızlı Mikroskobu

Bir mikroskop hayal edin ki, tek bir elektronun hareketini fotoğraflayabilsin. Evet, bu artık mümkün. Arizona Üniversitesi Fizik ve Optik Bilimler Bölümü araştırmacılarından Mohammed Hassan ve çalışma arkadaşları, attosaniyelik hareketleri gözlemlemeyi mümkün kılan bir elektron mikroskobu geliştirdi.

Bu arada belirtelim, bir attosaniye, bir saniyenin kentilyonda biri olarak tanımlanıyor. Yani, bu yeni mikroskop, her bir saniyde 10¹⁸ defa ışın darbesi göndererek görüntüleme yapıyor.

Geleneksel ışık mikroskoplarından farklı çalışan elektron mikroskopları ilk defa 1930’larda kullanılmaya başlandı. Bu tip çok hızlı mikroskoplar, incelenen numunenin üzerine bir dizi elektron fırlatıyor ve bu elektronların numuneyle etkileşimini özel merceklerle izleyerek görselleştirmeyi mümkün kılıyor. Transmisyon elektron mikroskopları ise 2000’lerin başlarında keşfedildi ve söz konusu elektronları üretmek için lazer ışınları kullanıyor, böylece nesneleri milyonlarca kat büyüterek gözlemlemeyi mümkün kılıyor. Bu yöntem, mikroskopların büyütme kabiliyetini ciddi oranda geliştirmekle birlikte, çok hızlı etkileşimleri ölçebilmemizi de sağlıyor, yani gözle göremediğimiz olayların zaman içindeki değişimini inceleyebiliyoruz. Bu görüntüleme hızı ise, numune üzerine fırlatılan elektronların “nabzı” veya darbesi ile doğru orantılı. Örneğin, lazer ışınlarının saniyede kaç defa açılıp kapadığı gibi düşünülebilir. Elektron mikroskoplarının en gelişmişi, şimdiye kadar birkaç attosaniyede bir darbe hızıyla görüntüleme yapabiliyordu. Bu oldukça hızlı bir görüntüleme sunsa da aradaki attosaniyelerde neler olduğu tabii ki bilim insanlarınca merak ediliyordu.

2023 Nobel Fizik Ödülü, “madde içinde elektron dinamiklerinin incelenmesi için geliştirdikleri, attosaniye ışık darbeleri üreten deneysel yöntemler” nedeniyle Pierre Agostini, Ferenc Krausz ve Anne L’Huillier’e verilmişti. Nobel Fizik Ödülü’ne layık görülen bu çalışma, Hassan ve ekibinin bu yeni mikroskobu geliştirirken kullandığı yöntemlerin temel dayanağı oldu. Ekip, tek bir attosaniye süren bir ışın darbesi göndermeyi, ki şimdilik elektronların daha hızlı hareket etmediği düşünülüyor, ve bu sayede elektron mikroskobuyla attosaniyelik süreçleri gözlemlemeyi başardı.

Araştırmacılar, güçlü bir lazer ışınını ikiye ayırarak iki ayrı gözlem noktası oluşturdu. İlki çok hızlı bir ultraviyole elektron darbesi, diğeri ise iki farklı ultra-kısa ışık darbesinden oluşuyor. İtme darbesi adını verdikleri ilk ışın, gözlem altındaki numuneyi besleyerek elektronların hareket etmesini sağlıyor. Diğerleri ise (optik pencere darbesi), birinci ışının oluşturduğu attosaniyelik elektron hareketlerini gözlemlemek için çok hızlı açılıp kapanan pencereler gibi çalışıyor ve bu da görüntünün çözünürlüğünü belirliyor. Bu iki darbeyi çok ince ayarlar sayesinde senkronize ederek, numuneleri atom düzeyinde görüntülemek mümkün oluyor.

Araştırmacılar, yepyeni bir optik bilim dünyasının kapısını aradıklarını düşünüyor ve kuantum fiziği, biyoloji ve kimya gibi bilim dallarını derinden etkileyecek, “attomikroskopi” adı verdikleri bir teknolojinin artık kullanılabileceğini belirtiyor. Elektron hareketlerinin maddenin yapısal dinamikleriyle gerçek zamanlı gözlemini yapmak artık mümkün. Özellikle, bir elektronun nasıl hareket ettiğini açıklayan kuantum fiziğinin arkasında yatan prensiplerin daha iyi anlaşılacağı düşünülüyor.

“Elektron mikroskoplarının temporal (zamansal) çözünürlüğünü artırmak, uzun zamandır üzerine uğraşılan bir meseleydi” diyor Hassan, “çünkü hepimiz elektronları hareket ederken görebilmek istiyorduk.”