Science子刊：电子显微镜中的时间压缩

太赫兹光控制和表征空间和时间中的电子

　　

德国康斯坦茨大学(University of Konstanz)的科学家们将超快电子显微镜技术发展到了前所未有的时间分辨率。在《科学进展》杂志上，研究小组提出了一种在透射电子显微镜下使用太赫兹光进行全光控制、压缩和表征电子脉冲的方法。此外，研究人员还发现了双电子态和三电子态在时域中的大量反相关性，为自由电子的量子物理提供了更深入的了解。

背景与挑战超快电子显微镜是将传统电子显微镜的空间分辨率与超快飞秒激光脉冲的时间分辨率相结合的前沿技术。这种强大的组合使研究人员能够观察运动中的原子和电子，以无与伦比的清晰度捕捉材料中的动态过程。通过可视化这些空间和时间上的快速事件，科学家可以更深入地了解控制材料特性和转变的基本机制，有助于在纳米技术、光学、材料科学和量子物理等研究领域取得进步。

虽然超快电子显微镜原则上能够在基本的空间和时间尺度上观察原子和电子的运动，但由于电子脉冲持续时间的限制，捕捉这些快速动力学仍然具有挑战性。目前的标准电子脉冲持续时间约为200飞秒，对于解决材料和分子中的许多基本反应过程来说太长了。要实时观察基本反应路径和集体原子运动，也就是所谓的声子模式，需要比现在短10倍的脉冲。

现在，康斯坦茨团队推出了一种突破性的方法，将透射电子显微镜的时间分辨率从数百飞秒提高到数十飞秒。研究人员利用太赫兹光的单光周期在单周期激光的维度上操纵空间和时间上的电子脉冲。这种方法不仅保留了电子显微镜的空间分辨率，而且还提高了它的时间分辨率，以便在基本尺度上可视化原子甚至电子运动。

“超快电子显微镜的主要挑战之一是激光触发针尖的超快光辐射不可避免的能量带宽。“由于具有静止质量的非相对论电子的真空色散，这种能量带宽不可避免地导致量子力学波包色散和脉冲时间延长，”康斯坦茨大学光与物质小组负责人彼得鲍姆解释说。该团队克服了这个问题，利用太赫兹脉冲的电场梯度来加速电子波函数的尾部部分，并减速电子波函数的前部部分，从而在样品中显著压缩脉冲。由于显微镜内部的可用空间有限，研究小组通过使用金属平行板波导在足够的空间均匀性和最小的像差下产生必要的亚周期场电子相互作用来实现这种控制。“我们方法的一个关键方面在于波导内产生的特殊电场和磁场。通过设计一种波导，通过精确的相位控制来产生稳定的太赫兹波，我们可以在放大电场的同时抵消不必要的磁场。这种结构允许电子脉冲的加速和减速，而不会引入空间像差，”设计该实验的博士生乔尔·库特鲁夫总结道。

利用这个想法，该团队已经成功地将他们的电子脉冲从200飞秒压缩到19飞秒。这一进展促进了电子显微镜的时间分辨率进入基本原子动力学和反应路径领域。彼得·鲍姆说:“即使在提高时间分辨率的情况下，显微镜的空间分辨率几乎保持不变。”在实验中，金纳米颗粒和硅晶体的显微镜图像和衍射图显示了这些清晰和精确的成像能力，现在，在时域上的分辨率是前所未有的。

在他们的新能力的第一次应用中，研究人员测量了两电子和三电子状态，并在时域中发现了大量的反相关性，为多电子系统的相互作用和动力学提供了更深入的了解。“当一个电子早到达时，另一个电子晚到达，反之亦然，在两者之间产生了明显的时间分离，”该团队的博士后研究员大卫·纳本解释说。“这种反相关是自由空间传播过程中相互库仑力和波包色散的结果”。测量双电子或三电子及其在时域中的相关性的能力对于推进我们对涨落和噪声领域的量子力学的理解至关重要。“通过精确控制和观察自由电子及其相互作用，我们为未来的研究奠定了基础，旨在以前所未有的细节调查基本的量子现象，如电子配对和纠缠，”Baum说。“这种能力与我们新的时间分辨率制度一起，将有可能导致新的量子技术，并增强我们对原子尺度材料行为的认识。”