世界上最快的顯微鏡以阿秒為單位捕獲電子運動

我們對亞原子領(lǐng)域進(jìn)行成像的能力受到限制，不僅受到分辨率的限制，還受到速度的限制。構(gòu)成原子并從原子中自由飛行的組成粒子可以，理論上，則以接近光速的速度移動。

在實踐中，它們的移動速度通常要慢得多，但即使是這些較慢的速度，我們的眼睛或技術(shù)也無法看到。這使得觀察電子的行為成為一項挑戰(zhàn)，但現(xiàn)在一種新的顯微鏡成像技術(shù)的發(fā)展使科學(xué)家能夠?qū)崟r捕捉它們的運動。

這是亞利桑那大學(xué)圖森分校（University of Arizona Tucson）物理學(xué)家團(tuán)隊的工作，由 Dandan Hui 和 Husain Alqattan 領(lǐng)導(dǎo)，它可以以阿秒級的速度拍攝圖像;那是一個五分之一一秒鐘。他們將這項技術(shù)命名為 attomicroscopy。

“電子顯微鏡內(nèi)部時間分辨率的提高早已為人所期待，也是許多研究小組的重點，因為我們都想看到電子的運動，”物理學(xué)家穆罕默德·哈桑（Mohammed Hassan）說亞利桑那大學(xué)圖森分校。

“這些動作發(fā)生在阿秒內(nèi)。但現(xiàn)在，我們第一次能夠使用電子透射顯微鏡實現(xiàn)阿秒時間分辨率——我們將其命名為“阿視顯微鏡”。我們第一次可以看到運動中的電子碎片。

透射電子顯微鏡或 TEM 是一種用于生成物理世界中最小結(jié)構(gòu)圖像的技術(shù)。它依靠電子而不是光來生成圖像。電子束通過材料樣品傳輸;電子和樣品之間的相互作用是產(chǎn)生圖像的原因。例如，下面是白細(xì)胞的 TEM 圖像。

白細(xì)胞的 TEM 圖像。(Jeremy Skepper 醫(yī)師/署名 4.0 國際（CC BY 4.0）)

TEM 不是傳統(tǒng)相機(jī)的快門速度，而是依賴于傳輸電子的激光脈沖的速度。激光脈沖的持續(xù)時間越快，得到的圖像就越好。因此，如果您想要更好的圖像質(zhì)量，實現(xiàn)這一目標(biāo)的方法是開發(fā)一種可以發(fā)射更短脈沖的激光器。

以前，TEM 激光器的持續(xù)時間達(dá)到幾阿秒，在火車上釋放，有點像短暫的靜電爆發(fā)。

這絕對是了不起的，諾貝爾獎的成就;但問題是，雖然這會產(chǎn)生一系列圖像，但電子的移動速度會快一些——因此脈沖之間電子的變化丟失了。

研究人員想看看他們是否能找到一種方法將脈沖束的持續(xù)時間縮短到一阿秒，即束流中電子的移動速度，從而使 TEM 能夠在定格中捕獲它們。

使用阿視顯微鏡獲得的電子在真實空間中運動的計算快照。（Hui & Alqattan等人，科學(xué) Adv., 2024)

通過將脈沖分成三個：兩個光脈沖和一個電子脈沖，實現(xiàn)了這一突破。第一個光脈沖稱為泵脈沖。它將能量注入石墨烯sample，這會導(dǎo)致電子晃動。

緊接著是第二個光脈沖或門脈沖，它創(chuàng)建一個門或窗口。當(dāng)它“打開”時，向樣品發(fā)射單個阿秒電子脈沖，并捕獲阿秒速度的亞原子過程。

結(jié)果是一張精確的電子動力學(xué)圖——這張圖為這些重要粒子的行為方式的新研究打開了大門。