顕微鏡は運動中の電子を検出することができます。その背後にあるテクノロジーとは何ですか?

ミクロの世界の観察は、物理学者や化学者にとって、何世紀にもわたって続いている大きな課題の 1 つです。技術的な制限に加えて、これらの顕微鏡の多くが光子との相互作用に依存しているという物理的な制限もあります。粒子の世界では、光子は相互作用せずに通過できるため、構造を観察できることは複雑な問題になります。

このように、多くの物理学者は量子力学の他の特性を利用して観察できるようにしています。その一例は、2013 年に研究者のグループが電子の量子効果に基づいてカメラを作成したことです。この技術を使用して、研究グループは、波動関数が電子の挙動をどのように記述するかを示す水素原子の画像を作成することができました。

最近、アリゾナ大学の物理学者が電子を観察する技術を説明した論文を発表しました。この顕微鏡は、わずか 1 秒で地球を数周できる物体を観察する世界最速の顕微鏡として知られています。これは、ミクロの興味深い世界を観察するための物理学の革命です。

素粒子物理学は、物質の構造を構成する粒子の研究に焦点を当てた分野です。さらに、この分野は、宇宙で起こるプロセスにおける重要な相互作用の研究にも焦点を当てています。電子は、レプトンと呼ばれるクラスに属する亜原子粒子の 1 つです。電子はマイナスの電荷を持っており、電気的相互作用を通じてプラスの電荷を持った陽子に引き寄せられます。

他の粒子と同様に、電子も波動関数によって記述され、粒子と波動の二重性を示します。これは、量子力学のほとんどの現象の性質である確率的な性質を持っています。電子が観察されると、電子は 1 つの状態に崩壊し、電子が以前に存在した、または存在する可能性のある他の状態を観察することができなくなります。

電子のこのような特性により、電子はさまざまな技術や技術応用に広く使用されています。 1つの例は、研究者たちが水素原子の最初の写真を発表した2013年に起こりました。この写真は、原子核の周りの電子分布の確率雲になります。水素には電子が 1 つと陽子が 1 つあります。

研究者グループは、量子顕微鏡と干渉法を使用して、そのデータを使用して電子の考えられる位置を見つけました。データは波動方程式とともに使用され、水素原子の構造を記述しました。さらに、この写真は、原子内で原子が取得できる位置の説明など、量子力学のいくつかの特性を確認するのに役立ちました。水素の軌道と電子の量子状態がどのように機能するかについても説明します。

原子構造を研究する上で重要なツールの 1 つは透過型電子顕微鏡と呼ばれます。光を使用して観察するには物理的な制限があるため、このタイプの顕微鏡では電子ビームを使用して構造を記録します。電子の波長は可視光よりも短く、他の電子と相互作用すると、原子構造の中にあるものの画像が生成されます。

透過型電子顕微鏡は、ピコメートルオーダーに達する非常に高い解像度を達成できます。この解像度により、個々の原子を観察し、各原子の組成を理解することができます。 2023年のノーベル物理学賞は、透過型電子顕微鏡を使用した技術と観察を導入したフェレンツ・クラウス氏、ピエール・アゴスティーニ氏、アンヌ・リュイリー氏に贈られた。

アリゾナ大学のグループは、2023 年のノーベル賞受賞研究に基づいて、透過型電子顕微鏡に画期的な進歩をもたらしました。新しいタイプの望遠鏡では、レーザーが電子のパルスと光の 2 つのパルスに分割されます。光のパルスは励起パルスと呼ばれ、電子にエネルギーを与えて移動します。活性化と呼ばれる 2 番目のパルスは、電子パルスが通過するためのウィンドウを作成します。

電子パルスは他の透過型電子顕微鏡と同様に機能しますが、違いは周波数です。周波数が高いほど、観察される画像の解像度が高くなります。この周波数は起動パルスに依存するため、この 2 つを慎重に同期させる必要があります。答えは、他の電子と相互作用して画像を形成する電子パルスによって決まります。

電子の挙動を観察すると、量子力学の概念の視覚的な証拠が得られます。この分野の進歩は、原子構造を理解し、科学的手法を適用するのに役立ちます。さらに、近年のスクリーンからコンピュータへの進歩と同様に、電子がどのように機能するかを理解することにより、テクノロジー内で応用できる可能性があります。

ニュース参照:

ホイら。 2024アト秒電子顕微鏡と回折科学