世界上最快的顯微鏡以阿秒為單位捕獲電子運動

我們對亞原子領域進行成像的能力受到限制，不僅受到分辨率的限制，還受到速度的限制。構成原子并從原子中自由飛行的組成粒子可以，理論上，則以接近光速的速度移動。

在實踐中，它們的移動速度通常要慢得多，但即使是這些較慢的速度，我們的眼睛或技術也無法看到。這使得觀察電子的行為成為一項挑戰，但現在一種新的顯微鏡成像技術的發展使科學家能夠實時捕捉它們的運動。

這是亞利桑那大學圖森分校 （University of Arizona Tucson） 物理學家團隊的工作，由 Dandan Hui 和 Husain Alqattan 領導，它可以以阿秒級的速度拍攝圖像;那是一個五分之一一秒鐘。他們將這項技術命名為 attomicroscopy。

“電子顯微鏡內部時間分辨率的提高早已為人所期待，也是許多研究小組的重點，因為我們都想看到電子的運動，”物理學家穆罕默德·哈桑 （Mohammed Hassan） 說亞利桑那大學圖森分校。

“這些動作發生在阿秒內。但現在，我們第一次能夠使用電子透射顯微鏡實現阿秒時間分辨率——我們將其命名為“阿視顯微鏡”。我們第一次可以看到運動中的電子碎片。

透射電子顯微鏡或 TEM 是一種用于生成物理世界中最小結構圖像的技術。它依靠電子而不是光來生成圖像。電子束通過材料樣品傳輸;電子和樣品之間的相互作用是產生圖像的原因。例如，下面是白細胞的 TEM 圖像。

TEM 不是傳統相機的快門速度，而是依賴于傳輸電子的激光脈沖的速度。激光脈沖的持續時間越快，得到的圖像就越好。因此，如果您想要更好的圖像質量，實現這一目標的方法是開發一種可以發射更短脈沖的激光器。

以前，TEM 激光器的持續時間達到幾阿秒，在火車上釋放，有點像短暫的靜電爆發。

這絕對是了不起的，諾貝爾獎的成就;但問題是，雖然這會產生一系列圖像，但電子的移動速度會快一些——因此脈沖之間電子的變化丟失了。

研究人員想看看他們是否能找到一種方法將脈沖束的持續時間縮短到一阿秒，即束流中電子的移動速度，從而使 TEM 能夠在定格中捕獲它們。

通過將脈沖分成三個：兩個光脈沖和一個電子脈沖，實現了這一突破。第一個光脈沖稱為泵脈沖。它將能量注入石墨烯sample，這會導致電子晃動。

緊接著是第二個光脈沖或門脈沖，它創建一個門或窗口。當它“打開”時，向樣品發射單個阿秒電子脈沖，并捕獲阿秒速度的亞原子過程。

結果是一張精確的電子動力學圖——這張圖為這些重要粒子的行為方式的新研究打開了大門。

“這款透射電子顯微鏡就像最新版本智能手機中非常強大的相機;它使我們能夠拍攝以前無法看到的事物——比如電子。Hassan 說.

“通過這款顯微鏡，我們希望科學界能夠了解電子行為和電子運動背后的量子物理學。”

該研究已發表在科學進展.

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