世界上最快的显微镜能在“阿秒”内捕获电子运动

我们对亚原子领域的成像能力是有限的，不仅受到分辨率的限制，还受到速度的限制。从理论上讲，组成原子并从原子中自由运动的粒子可以以接近光速的速度运动。

在实践中，它们的移动速度通常要慢得多，但即使是这样慢的速度，对于我们的眼睛或技术来说也太快了。这使得观察电子的行为成为一项挑战，但现在一种新的显微镜成像技术的发展使科学家们能够实时捕捉到电子的运动。

这是亚利桑那大学图森分校的一个物理学家团队的成果，由丹丹·惠和侯赛因·阿尔奎斯领导，它可以以“阿秒”的速度拍摄图像；这是一秒的万亿分之一。他们将这项技术命名为原子显微镜检查。

亚利桑那大学图森分校的物理学家穆罕默德·哈桑说：“提高电子显微镜内部的时间分辨率一直是人们期待已久的事情，也是许多研究小组关注的焦点，因为我们都想看到电子运动。”

“这些动作发生在阿秒内。但现在，我们第一次能够通过电子透射显微镜获得阿秒的时间分辨率，我们称之为‘原子显微镜’。这是我们第一次看到运动中的电子碎片。”

透射电子显微镜（TEM）是一种用于生成物理世界中最小结构图像的技术。它依靠电子而不是光来产生图像。一束电子束通过材料样品传输；电子和样品之间的相互作用产生了图像。例如，下图是一个白细胞的透射电镜图像。

与传统相机的快门速度不同，透射电镜依靠的是传输电子的激光脉冲的速度。激光脉冲的持续时间越快，得到的图像就越好。所以，如果你想要更好的图像质量，实现这一目标的方法是开发一种可以发射更短脉冲的激光器。

在此之前，TEM激光的持续时间达到了几阿秒，在队列中释放，有点像短暂的静电爆发。

这绝对是一个了不起的，值得诺贝尔奖的成就；但问题是，尽管这产生了一系列的图像，但电子的移动速度要快一些 —— 所以在脉冲之间电子的变化就丢失了。

研究人员想看看他们是否能找到一种方法，将脉冲光束的持续时间缩短到1阿秒，即光束中电子移动的速度，从而使TEM能够在定格帧中捕获它们。

这一突破是通过将脉冲分成三个来实现的：两个光脉冲和一个电子脉冲。第一个光脉冲称为泵浦脉冲。它将能量注入到石墨烯样品中，导致电子四处摇摆。

接着是第二个光脉冲，或门脉冲，它产生一个门，或窗口。当它“打开”时，一个单阿秒的电子脉冲向样品发射，并捕获阿秒速度的亚原子过程。

结果是一幅精确的电子动力学图 —— 这幅图为这些重要粒子的行为方式的新研究打开了大门。

“这种透射电子显微镜就像最新版智能手机中的一个非常强大的摄像头；它使我们能够拍摄我们以前无法看到的东西，比如电子，”哈桑说。

“有了这个显微镜，我们希望科学界能够理解电子行为和电子运动背后的量子物理学。”

这项研究发表在《科学进展》杂志上。

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