世界最速の顕微鏡がアト秒単位で電子を捉える

電子顕微鏡はほぼ 1 世紀にわたって存在してきましたが、記録破りの最新技術により、物理学者が何十年も待ち望んでいたものがついに実現しました。透過型電子顕微鏡が初めて、電子を非常に鮮明に捉え、その個々の構成要素を観察できるようになったのです。研究者たちは、量子物理学、生物学、化学の分野に影響を及ぼす「アト顕微鏡法」と現在呼んでいる、まったく新しい光学科学の領域を開拓したと考えています。

この画期的な成果はアリゾナ大学の専門家が率いるチームによるもので、8月21日にサイエンス・アドバンス誌に掲載された新しい研究で詳細が述べられている。アリゾナ大学の物理学および光学科学の准教授であるモハメド・ハッサン氏は、透過型電子顕微鏡をスマートフォンのカメラに例えている。

「最新版のスマートフォンには、より高性能なカメラが搭載されています」とハッサン氏は水曜日、大学の発表で述べた。「この顕微鏡によって、電子の挙動や動きの背後にある量子物理学を科学界が理解できるようになることを期待しています。」

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最初の電子顕微鏡が登場したのは 1930 年代初頭ですが (誰が最初に発明したかについては、今日でも論争が続いています)、科学者は 2000 年代から透過型電子顕微鏡と呼ばれるものに頼ってきました。これらの装置では、物体は光学顕微鏡よりもはるかに大きな数百万倍の大きさに拡大されます。これは、対象物に照射される電子レーザー ビームのパルスに依存しているためです。そこから、極めて高精度のカメラ センサーとレンズが、サンプルを通過するこれらの原子粒子を画像化します。これらの画像間で観察される対象物の変化が、顕微鏡の時間分解能と呼ばれます。分解能を高めるために、研究者はこれらのレーザー バーストを、わずか 100 兆分の 1 秒であるアト秒まで高速化することに着目しました。

しかし、ここでも問題は「アト秒」の複数形である。物理学者が、1 個の電子を固定して捉え、その理解不能なほど高速な亜原子反応と相互作用を詳細に調べたいと望むなら、1 個のアト秒パルスを発射できる透過型電子顕微鏡が必要になる。これを実現するために、研究者らは、2023 年のノーベル物理学賞受賞者が先駆けて行った研究に目を向けた。彼らは、やはりアト秒単位で測定される最初の極端紫外線パルスを生成した。その基盤を基に、チームはついに 1 アト秒というベンチマークを達成した。

そのために、研究者はレーザーを単一の電子パルスと 2 つの超短光パルスに分割する新しい顕微鏡を開発し、構築しました。最初の光パルスはポンプ パルスと呼ばれ、サンプルの電子にエネルギーを与えます。次に、光ゲーティング パルスと呼ばれるものが開始され、1 アト秒の電子パルスが顕微鏡から放出される極小の時間枠が与えられます。2 つの超短光パルスが適切に同期されると、オペレーターは電子パルスのタイミングを計り、アト秒レベルの時間分解能で原子イベントを捉えることができます。

「電子顕微鏡内の時間分解能の向上は長い間期待されており、多くの研究グループの焦点となっていた」とハッサン氏は水曜日に語った。「…初めて、電子の断片が動いているのを見ることができるのだ。」

研究の概要によると、アト秒顕微鏡により、物理学者、光学科学者、その他の専門家は、電子の動きを前例のない詳細さで研究し、「リアルタイムおよび空間領域における物質の構造ダイナミクスと直接結び付ける」ことができるようになるという。これにより、「量子物理学、化学、生物学における現実のアト秒科学の応用」への道が開かれるだろうと彼らは述べている。