Исследования, за которые была присуждена Нобелевская премия по физике в 2023 году, легли в основу для разработки «аттомикроскопа», способного «задержать» течение времени до шага в одну аттосекунду. Это переводит учёных во временные масштабы жизни электронов — позволяет буквально увидеть их движение, о чём раньше можно было только мечтать. Созданное в Университете Аризоны устройство стало первым, которое обеспечило подобную детализацию субатомного мира.

Представление одного электрона в движении. Источник изображений: Science Advances

В каждой секунде 10¹⁸ аттосекунд. Это намного больше, чем прошло секунд с момента Большого взрыва. Проникнуть в такой масштаб времени означает приблизиться к точным измерениям для нужд квантовых наук и фундаментальных исследований. Ранее рекордом «заморозки» времени был масштаб 43 аттосекунды. Учёные из США создали микроскоп, который сократил его до 1 аттосекунды.

Работа учёных опиралась на достижения нобелевских лауреатов физиков Анн Л'Юилье (Anne L’Huillier), Ференца Крауса (Ferenc Krausz) и Пьера Агостини (Pierre Agostini) «за экспериментальные методы генерации аттосекундных импульсов света для изучения динамики электрона в материи». Это была мечта множества научных коллективов и, фактически, лишь вопрос времени. Похоже, американцы успели первыми создать «аттосекундный» микроскоп, что не исключает появление подобных приборов в остальных странах.

Блок схема «аттомикроскопа»

Принцип работы устройства учёные описали в статье в журнале Science Advances. В установку подаётся импульс ультрафиолетового лазера. Лазер выбивает из фотокатода сверхбыстрый электронный импульс. По второму каналу подаётся два других лазерных импульса, один из которых поляризуется, а второй служит накачкой для «оживления» электронов в образце. Поляризованный импульс стробирует быстрый электронный импульс и это даёт точку отсчёта для измерений, которые записываются на выходе микроскопа в виде дифракционной картины электронной динамики вещества.

Используя эту технику, команда смогла генерировать электронные импульсы продолжительностью всего в одну аттосекунду, что позволило им наблюдать сверхбыстрое движение электронов, которое обычно невозможно увидеть. Исследователи говорят, что этот прорыв может найти применение в квантовой физике, химии и биологии.

Учёные проекта SMART (Singapore-MIT Alliance for Research and Technology) разработали самый маленький в мире кремниевый светодиод и смогли построить на его основе самый маленький голографический микроскоп, который можно будет установить, например, на смартфон.

Источник изображения: Konstantin Kolosov / pixabay.com

Светодиод производит излучение в ближнем инфракрасном диапазоне (длина волны 1100 нм), а его излучающая площадь составляет 0,14 мкм² при диаметре 400 нм, то есть меньше длины волны. Появление такого компонента может означать прорыв в фотонике — технологической области, связанной с передачей и свойствами фотонов. Эта сфера, в частности, охватывает оптическую передачу данных, технологии визуализации, освещения и дисплеев. Важнейшей проблемой в этой области долгое время было отсутствие достаточно компактных излучателей, из-за чего приходилось использовать внешние источники света с низкой энергоэффективностью, а фотонные чипы было сложно масштабировать.

Авторы изобретения решили испытать рекордно маленький светодиод, изготовив на его основе безлинзовый голографический микроскоп. Такие микроскопы меньше и дешевле обычных, поскольку они не требуют сложной и точной системы линз — её заменяет источник света, освещающий исследуемый образец, а свет попадает на КМОП-матрицу. В результате создаётся цифровая голограмма, которая после компьютерной обработки преобразуется в читаемое изображение. Последнему этапу обычно сопутствуют определённые сложности: необходимо точно знать значение апертуры, длину волны на источнике света и расстояние от образца до сенсора. Преодолеть эту трудность помог алгоритм искусственного интеллекта.

Как оказалось, построенный на этих компонентах микроскоп обеспечивает достаточно высокое разрешение — примерно 20 мкм. Для сравнения, клетка человеческой кожи имеет размер от 20 до 40 мкм, а лейкоцит — 30 мкм. Учёные утверждают, что такой микроскоп можно встроить в смартфон, чтобы изучать при помощи гаджетов, например, человеческие ткани или семена растений. Голографический микроскоп сможет служить для биологической визуализации, создания различных биосенсоров и имплантируемых компонентов.