Science子刊：世界上最快的显微镜

亚利桑那大学的一组研究人员开发出了第一台透射电子显微镜，它的时间分辨率为1阿秒，可以拍摄到运动中的电子的第一张静止图像。

　　

想象一下，拥有一台如此强大的相机，它可以拍摄移动电子的定格照片——一个运动速度如此之快的物体，它可以在一秒钟内绕地球很多圈。亚利桑那大学的研究人员已经开发出世界上最快的电子显微镜，可以做到这一点。

他们相信，他们的工作将导致物理学、化学、生物工程、材料科学等领域的突破性进展。

“当你拿到最新版的智能手机时，它会配备更好的摄像头，”物理学和光学科学副教授穆罕默德·哈桑(Mohammed Hassan)说。“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。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。”

哈桑领导的物理系和光学科学系的研究小组在《科学进展》杂志上发表了一篇题为《阿秒电子显微镜和衍射》的研究论文。哈桑的同事是物理学助理教授尼古拉·戈卢别夫(Nikolay Golubev);惠丹丹，论文第一作者，前光学与物理副研究员，现供职于中国科学院西安光学精密机械研究所。

透射电子显微镜是科学家和研究人员使用的一种工具，可以将物体放大到实际尺寸的数百万倍，以便看到传统光学显微镜无法探测到的小细节。透射电子显微镜不使用可见光，而是引导电子束穿过被研究的任何样品。电子和样品之间的相互作用由镜头捕捉，并由相机传感器检测，以生成样品的详细图像。

利用这些原理的超快电子显微镜是在2000年代首次开发出来的，它使用激光产生脉冲电子束。这项技术极大地提高了显微镜的时间分辨率，即测量和观察样品随时间变化的能力。在这些超快显微镜中，透射电子显微镜的分辨率是由电子脉冲的持续时间决定的，而不是依靠相机快门的速度来决定图像质量。

脉冲越快，图像越好。

以前，超高速电子显微镜是通过以几阿秒的速度发射一系列电子脉冲来操作的。一阿秒是一秒的五分之一。在这种速度下的脉冲会产生一系列的图像，就像电影中的帧一样——但是科学家们仍然没有看到在这些帧之间发生的反应和电子的变化，因为它是实时进化的。为了观察冻结在原地的电子，亚利桑那大学的研究人员首次产生了一个单阿秒的电子脉冲，与电子运动的速度一样快，从而提高了显微镜的时间分辨率，就像高速摄像机捕捉到原本看不见的运动一样。

哈桑和他的同事们的工作是基于获得诺贝尔奖的皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦斯·克劳斯和安妮·吕里埃的成就，后者在产生第一个极紫外辐射脉冲后获得了2023年的诺贝尔物理学奖，该脉冲非常短，可以用阿秒来测量。

以此为基础，亚利桑那大学的研究人员开发了一种显微镜，在这种显微镜中，强大的激光被分裂并转化为两部分——一个非常快的电子脉冲和两个超短的光脉冲。第一个光脉冲，被称为泵浦脉冲，将能量输入样品，并导致电子移动或经历其他快速变化。第二个光脉冲，也被称为“光门控脉冲”，通过创建一个短暂的时间窗口来产生门控的单阿秒电子脉冲，就像一个门。因此，门控脉冲的速度决定了图像的分辨率。通过仔细地同步两个脉冲，研究人员控制电子脉冲探测样品的时间，以观察原子水平上的超快过程。

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的运动。”“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。”