نقشه‌برداری از جنبش‌های الکترونی

دیوید بیلو ـ کافی است به یک تکه فلز مثل نقره یا مس، نور بتابانید تا الکترون‌هایش برانگیخته شوند. این برانگیختگی، موجب دگرگونی میدان‌های الکترومغناطیسی پیرامون الکترون‌ها می‌شود و بدین‌واسطه، ویژگی‌هایی که پای فلزاتی نظیر مس را به علت رسانایی بالای آن به جهان فناوری کشانده است، خودنمایی می‌کنند.

تلاش‌هایی که در سالیان اخیر با هدف رصد الکترون‌ها صورت گرفته است، به لطف تولید لیزرهای چشمک‌زنِ فوق سریع، کم‌دردسرتر شده‌اند؛ آن‌هم با وجود قوانین سخت‌گیرانه مکانیک کوانتومی که در آن مقیاس‌ها بر این ذرات حکمرانی می‌کنند. براساس معادلات و توابع موج کوانتومی، یک ناظر هرگز نمی‌‌تواند سرعت و مکان دقیق یک الکترون را در آنِ واحد تعیین کند. این مسئله نه‌تنها راجع به سرعت و مکان که بسیاری از دیگر مختصات الکترون هم صدق می‌کند. از این گذشته، تشخیص یک الکترون به‌محض رهاسازی انرژی، فوق‌العاده ساده‌تر از زمانی است که مقدار انرژی مشخصی را جذب می‌کند. با این‌همه، درک بهتر وقایعی که در لحظه برانگیختگی یک الکترون با تحریک پرتوی نور اتفاق می‌افتد، کمک شایان توجهی به صنعت تولید سلول‌های نوری یا طراحی بهینه‌تر سامانه‌های فوتوالکتریکی، از قبیل پردازنده‌های پیشرفته رایانه‌ای خواهد کرد.

حال، گروهی از پژوهشگران مؤسسه فناوری کالیفرنیا، موفق به رصد فعالیت‌های الکترون و ترسیم نقشه‌هایی شده‌اند که نحوه پخش انرژی الکترون‌های برانگیخته بر سطح فلزات نقره و مس را در طول زمان نشان می‌‌دهند. این دانشمندان، به کمک میکروسکوپ الکترونی، اشعه چشمک‌زن لیزر را به مدت تنها یک فمتوثانیه (یعنی یک‌میلیونیم از یک‌میلیاردیم یک ثانیه)، بر نانوذره‌ای از جنس نقره که به یک لایه گرافین تکیه داده شده بود، متمرکز کردند. بعد از آن بود که جذب یا دفع انرژی لیزر توسط الکترون‌ها، با توجه به تأخیر فوق‌العاده کوتاه مابین زمان شلیک هر چشمک لیزری و زمان دریافت واکنشی مشابه از سمت یک الکترون، محاسبه می‌شد. دانشمندان به این روش اصطلاحاً “طیف‌نگاری فوق سریع” می‌گویند که در واقع با زبان معمولی نمی‌شود گفت که چقدر این فرآیند سریع رخ می‌دهد.

قرار است از طریق این روش، محل جذب و دفع انرژی توسط الکترون‌های متعلق به یک عنصر شیمیایی، نقشه‌برداری شود. این نقشه به تعیین مکان احتمالی الکترون‌های برانگیخته (و حتی مقدار انرژی جذب یا دفع‌شده) کمک خواهد کرد. هرچند اطلاعی از سایر مختصات آن ذره به دست نخواهد داد (و به همین واسطه از اصل عدم قطعیت هایزنبریگ هم تخطی نخواهد کرد). پس این پژوهش مثلاً مشخص می‌کند که یک نانوذره نقره، در ضلع سمت چپ و در گوشه پایین سمت راست‌اش، بیشترین انرژی را دریافت کرده است (چون ضخامت و ابعاد گوشه‌های ذره، کوچک‌تر از طول موج نور فرودی است، اطلاعاتی دقیق‌تر از این را نمی‌توان به دست آورد). در آینده ممکن است این روش، امکان تماشای واکنش مولکول‌ها، تعیین خواص ذرات و در نهایت پی‌گیری فرآیندهای درونی یک سلول زنده را هم فراهم کند.

منبع: Scientific American

توضیح تصویر:

تصویر، تزئینی است / منبع: iStockphoto.com / Tamer Yazici