最快的显微镜，能抓拍电子运动

亚利桑那大学的科学家们升级出了世界上最快的透射电子显微镜，阿秒级的快门速度能够抓拍电子的运动状态，科学界能够用它了解电子的行为，并透过电子运动找出量子物理学的奥秘。

01

难以抓住的电子

原子内电子的行为非常复杂，内层电子称为核心电子，不与其他原子相互作用，主要作用是稳定原子自身；而外层电子决定了材料的大部分性质。物理和化学领域中的一个基本问题就是研究电子在原子和分子内部如何排列和重新排列的。此前人们很难通过实验单独分离出价电子信息，只能依靠理论模型和光谱学进行估计来了解材料的性质。

电子的速度非常快，在加速器中可以加速到接近光速，而在固体材料中电子的速度和其费米能级相关，被称为费米速度，这时候电子的速度差距较大，快的能达到2250km/s（铍Be），而这次科学家利用阿秒透射电子显微镜从石墨烯中抓拍到的电子费米速度为611m/s。

02

2023年诺贝尔物理学奖

图注：皮埃尔·阿戈斯蒂尼（左）、费伦茨·克劳斯（中）和安妮·吕利耶（右）因“用实验方法产生了可用于研究物质中的电子动力学的阿秒量级光脉冲”而获得2023年诺贝尔物理学奖

当时间缩短到飞秒级（10-15秒）时，我们能在分子中观测到原子的变化。艾哈迈德·泽维尔因为利用飞秒激光观察反应过程中化学分子的过渡态，独享1999年的诺贝尔化学奖。但是想要研究电子，就需要把时间再缩短一千倍达到阿秒级。阿秒是10-18秒，也就是十亿分之一秒的十亿分之一，一束光从房间的一边到达对面墙上就需要100亿阿秒。

制造阿秒脉冲激光的方法获得了2023年物理诺奖。其中安妮·吕利耶发现在适当的条件下，激光与气态原子相互作用会发生谐波效应，能让新激光的频率提高数倍，最终可以达到每个光脉冲时长仅几百阿秒。而皮埃尔·阿戈斯蒂尼和费伦茨·克劳斯在实验中分别制造出了时长为几百阿秒的脉冲，并用来观测电子从原子中分离的过程。

03

阿秒级射电显微镜

现在阿秒光脉冲已经成为研究微观物质世界的“高速摄影相机”，尽管阿秒光谱学在时间分辨率上取得了巨大进展，但在空间分辨率上仍然存在限制。这是因为传统的阿秒技术主要关注于电子在特定点或体积内的平均行为，而不是在整个空间中的分布和动态。为了克服这一限制，科学家开发了超快电子显微镜（UEM）和X射线成像技术，这些技术能够在时间上以飞秒量级，在空间上以纳米量级甚至更高分辨率来观察物质的动态。

现在亚利桑那大学的科学家们利用阿秒激光改造了电子显微镜，让电子枪的脉冲从几十飞秒缩短到阿秒级，有了这么高速的快门，科学家可以看到固体中单个电子的运动了。

他们把石墨烯样品放在铝栅格板后面，用电子脉冲（激发材料中的电子运动）与两束精心同步的光脉冲撞击样品（产生脉冲激光，用来控制电子门），电子穿过样品时速度会减慢，并改变电子束波的形状，减慢后的电子束击到荧光材料上，通过材料发光就能给电子拍照片。

未来，科学家正在向产生比阿秒更短的时间单位努力，如仄秒（10的负21次方秒）、幺秒（10负24次方秒）的脉冲。该成果发表在《科学进展》上（DOI: 10.1126/sciadv.adp5805）

邮发代号：77-19

单价：8元，年价：408元

编辑｜张毅

审核｜吴新

爆料联系：cpcfan1874（微信）

壹零社：用图文、视频记录科技互联网新鲜事、电商生活、云计算、ICT领域、消费电子，商业故事。《中国知网》每周全文收录；中国科技报刊100强；2021年微博百万粉丝俱乐部成员；2022年抖音优质科技内容创作者