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Quadro congelado: Pesquisadores desenvolvem o microscópio mais rápido do mundo que pode ver elétrons em movimento
Imagine ter uma câmera tão poderosa que pode tirar fotos congeladas de um elétron em movimento — um objeto viajando tão rápido que poderia dar a volta na Terra muitas vezes em questão de segundos.
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Universidade do Arizona - 22/08/2024
Mohammed Hassan, professor associado de física e ciências ópticas, deixou um grupo de pesquisadores desenvolver o primeiro microscópio eletrônico de transmissão poderoso o suficiente para capturar imagens de elétrons em movimento. Crédito: Amee Hennig
Imagine ter uma câmera tão poderosa que pode tirar fotos congeladas de um elétron em movimento — um objeto viajando tão rápido que poderia dar a volta na Terra muitas vezes em questão de segundos. Pesquisadores da Universidade do Arizona desenvolveram o microscópio eletrônico mais rápido do mundo que pode fazer exatamente isso.
Eles acreditam que seu trabalho levará a avanços inovadores em física, química, bioengenharia, ciências dos materiais e muito mais.
"Quando você compra a versão mais recente de um smartphone, ele vem com uma câmera melhor", disse Mohammed Hassan, professor associado de física e ciências ópticas .
"Este microscópio eletrônico de transmissão é como uma câmera muito poderosa na versão mais recente de smartphones; ele nos permite tirar fotos de coisas que não conseguíamos ver antes — como elétrons. Com este microscópio, esperamos que a comunidade científica possa entender a física quântica por trás de como um elétron se comporta e como um elétron se move."
Hassan liderou uma equipe de pesquisadores nos departamentos de física e ciências ópticas que publicou o artigo de pesquisa "Microscopia eletrônica de attosegundo e difração" no periódico Science Advances.
Hassan trabalhou ao lado de Nikolay Golubev, professor assistente de física; Dandan Hui, coautor principal e ex-pesquisador associado em óptica e física que agora trabalha no Instituto de Óptica e Mecânica de Precisão de Xi'an, Academia Chinesa de Ciências; Husain Alqattan, coautor principal, ex-aluno da U of A e professor assistente de física na Universidade do Kuwait; e Mohamed Sennary, um estudante de pós-graduação em óptica e física.
Um microscópio eletrônico de transmissão é uma ferramenta usada por cientistas e pesquisadores para ampliar objetos até milhões de vezes seu tamanho real, a fim de ver detalhes muito pequenos para serem detectados por um microscópio óptico tradicional.
Em vez de usar luz visível, um microscópio eletrônico de transmissão direciona feixes de elétrons através de qualquer amostra que esteja sendo estudada. A interação entre os elétrons e a amostra é capturada por lentes e detectada por um sensor de câmera para gerar imagens detalhadas da amostra.
Microscópios eletrônicos ultrarrápidos usando esses princípios foram desenvolvidos pela primeira vez na década de 2000 e usam um laser para gerar feixes pulsados de elétrons. Essa técnica aumenta muito a resolução temporal de um microscópio — sua capacidade de medir e observar mudanças em uma amostra ao longo do tempo.
Nesses microscópios ultrarrápidos, em vez de depender da velocidade do obturador de uma câmera para determinar a qualidade da imagem , a resolução de um microscópio eletrônico de transmissão é determinada pela duração dos pulsos de elétrons.
Quanto mais rápido o pulso, melhor a imagem.
Microscópios eletrônicos ultrarrápidos operavam anteriormente emitindo uma sequência de pulsos de elétrons a velocidades de alguns attossegundos. Um attossegundo é um quintilhão de segundo. Pulsos nessas velocidades criam uma série de imagens, como quadros em um filme — mas os cientistas ainda não percebiam as reações e mudanças em um elétron que ocorrem entre esses quadros à medida que ele evolui em tempo real.
Para ver um elétron congelado no lugar, pesquisadores da Universidade do Alabama, pela primeira vez, geraram um único pulso de elétrons de attosegundo, que é tão rápido quanto os elétrons se movem, aumentando assim a resolução temporal do microscópio, como uma câmera de alta velocidade capturando movimentos que, de outra forma, seriam invisíveis.
Hassan e seus colegas basearam seu trabalho nas realizações ganhadoras do Prêmio Nobel de Física de Pierre Agostini, Ferenc Krausz e Anne L'Huilliere, que ganharam o Prêmio Nobel de Física em 2023 após gerar o primeiro pulso de radiação ultravioleta extrema, tão curto que podia ser medido em attossegundos.
Usando esse trabalho como um trampolim, pesquisadores da U of A desenvolveram um microscópio no qual um laser poderoso é dividido e convertido em duas partes — um pulso de elétron muito rápido e dois pulsos de luz ultracurtos. O primeiro pulso de luz, conhecido como pulso de bombeamento, alimenta uma amostra com energia e faz com que os elétrons se movam ou passem por outras mudanças rápidas.
O segundo pulso de luz, também chamado de "pulso de gating óptico", atua como um gate, criando uma breve janela de tempo na qual o pulso de elétron de attosegundo único gated é gerado. A velocidade do pulso de gating, portanto, dita a resolução da imagem. Ao sincronizar cuidadosamente os dois pulsos, os pesquisadores controlam quando os pulsos de elétrons sondam a amostra para observar processos ultrarrápidos no nível atômico.
"A melhoria da resolução temporal dentro dos microscópios eletrônicos era esperada há muito tempo e o foco de muitos grupos de pesquisa, porque todos nós queremos ver o movimento dos elétrons", disse Hassan.
"Esses movimentos acontecem em attosegundos. Mas agora, pela primeira vez, somos capazes de atingir resolução temporal de attosegundos com nosso microscópio de transmissão de elétrons — e nós o cunhamos 'attomicroscopia'. Pela primeira vez, podemos ver pedaços do elétron em movimento."
Mais informações: Dandan Hui et al, Microscopia eletrônica de attosegundo e difração, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adp5805 . www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp5805
Informações do periódico: Science Advances
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