世界上最快的显微镜可以捕捉到阿秒级的电子

电子显微镜已经存在了近一个世纪，但破纪录的现代迭代终于实现了物理学家们等待数十年才看到的结果——透射电子显微镜首次捕捉到电子，清晰度高到可以看到其各个组成部分。研究人员认为，他们已经开启了一个全新的光学科学领域，他们现在称之为“原子显微镜”，这将影响量子物理、生物学和化学领域。

这一突破来自亚利桑那大学专家领导的团队，并在 8 月 21 日发表在《科学进展》上的一项新研究中进行了详细介绍。亚利桑那大学物理学和光学科学副教授 Mohammed Hassan 将透射电子显微镜比作智能手机的相机。

哈桑在周三发表的一份大学声明中表示：“当你购买最新版本的智能手机时，它会配备更好的摄像头。……我们希望通过这种显微镜，科学界能够了解电子行为和电子运动背后的量子物理学。”

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尽管第一台电子显微镜问世于 20 世纪 30 年代初（关于谁发明了第一台电子显微镜，至今仍存在争议），但自 21 世纪以来，科学家们一直依赖于透射电子显微镜。在这些设备中，物体被放大数百万倍，远远超出了光学显微镜的能力。这是因为它们依赖于射向目标的电子激光束脉冲。然后，极其精确的摄像传感器和镜头在这些原子粒子穿过样本时对其进行成像。在这些图像之间观察到的拍摄对象的变化就是所谓的显微镜的时间分辨率。为了提高分辨率，研究人员已开始将激光爆发加速到仅持续千万亿分之一秒的阿托秒级。

但即便如此，问题仍然是“阿秒”，复数。如果物理学家希望捕捉到冻结在原地的单个电子并详细描述其难以理解的快速亚原子反应和相互作用，他们将需要一台能够发射单个阿秒脉冲的透射电子显微镜。为了实现这一目标，研究人员转向了 2023 年诺贝尔物理学奖获得者开创的工作，他们产生了第一个极紫外辐射脉冲，也是以阿秒为单位测量的。在此基础上，该团队最终实现了 1 阿秒的基准。

为此，研究人员开发并制造了一种新型显微镜，该显微镜将激光分裂成一个电子脉冲和两个超短光脉冲。第一个光脉冲称为泵浦脉冲，它为样品的电子提供能量。接下来，所谓的光门控脉冲启动，允许一阿秒的电子脉冲在极短的时间内从显微镜发射出来。一旦两个超短光脉冲正确同步，操作员就会对电子脉冲进行计时，以帮助以阿秒级的时间分辨率捕获原子事件。

哈桑周三表示：“人们期待已久的电子显微镜内部时间分辨率的提高，也是许多研究小组关注的焦点。……我们第一次能够看到运动中的电子碎片。”

根据研究摘要，阿秒显微镜将使物理学家、光学科学家和其他专家能够以前所未有的细节研究电子运动，并“将其与实时和空间领域的物质结构动力学直接联系起来”。他们表示，这有望为“量子物理、化学和生物学中阿秒科学的实际应用”铺平道路。