定格：研究人员开发出世界上最快的显微镜，可以观察运动中的电子

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想象一下，如果你拥有一台功能如此强大的相机，它可以拍摄移动电子的定格照片——电子的运动速度如此之快，一秒钟内就能绕地球好几圈。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，它就能做到这一点。
他们相信他们的工作将为物理学、化学、生物工程、材料科学等领域带来突破性的进步。
物理学和光学科学副教授穆罕默德·哈桑说：“当你拥有最新版本的智能手机时，它会配备更好的相机。”
“这种透射电子显微镜就像是最新版智能手机中功能非常强大的相机；它使我们能够拍摄以前无法看到的东西，例如电子。借助这种显微镜，我们希望科学界能够了解电子行为和电子运动背后的量子物理学。”
哈桑领导的物理和光学科学系研究团队在《科学进展》杂志上发表了研究论文《阿秒电子显微镜和衍射》。
与哈桑一起工作的还有物理学助理教授尼古拉·戈卢别夫 (Nikolay Golubev)、共同主要作者、前光学和物理学研究员、现就职于中国科学院西安光学精密机械研究所的丹丹·惠 (Dandan Hui)、共同主要作者、阿尔及利亚大学校友、科威特大学物理学助理教授侯赛因·阿尔卡坦 (Husain Alqattan) 以及光学和物理学研究生穆罕默德·森纳里 (Mohamed Sennary)。
透射电子显微镜是科学家和研究人员使用的一种工具，它可以将物体放大到其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细小细节。
透射电子显微镜不使用可见光，而是引导电子束穿过所研究的样本。电子与样本之间的相互作用被透镜捕捉，并被相机传感器检测，从而生成样本的详细图像。
使用这些原理的超快电子显微镜最早是在 2000 年代开发的，它使用激光产生脉冲电子束。这种技术大大提高了显微镜的时间分辨率——即测量和观察样本随时间变化的能力。
在这些超快显微镜中，透射电子显微镜的分辨率不是依靠相机快门的速度来决定图像质量，而是由电子脉冲的持续时间决定。
脉冲越快，图像越好。
超快电子显微镜以前是通过发射速度为几阿秒的电子脉冲序列来工作的。一阿秒是一千万亿分之一秒。以这种速度发射的脉冲会形成一系列图像，就像电影中的帧一样——但科学家们仍然无法了解电子在实时演化过程中这些帧之间的反应和变化。
为了看到静止的电子，阿尔伯塔大学的研究人员首次产生了单个阿秒电子脉冲，其速度与电子移动的速度一样快，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。
哈桑和他的同事以皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳斯和安妮·吕利埃的诺贝尔奖获奖成果为基础开展了这项研究。吕利埃在产生第一个极紫外辐射脉冲后获得了 2023 年诺贝尔物理学奖，该脉冲非常短，可以用阿秒来测量。
阿尔伯塔大学的研究人员以这项研究为基础，开发出一种显微镜，将强大的激光分裂成两部分——一个非常快的电子脉冲和两个超短光脉冲。第一个光脉冲称为泵脉冲，它将能量输送到样本中，使电子移动或发生其他快速变化。
第二个光脉冲，也称为“光门控脉冲”，它的作用类似于门，通过创建一个短暂的时间窗口来生成门控的单个阿秒电子脉冲。因此，门控脉冲的速度决定了图像的分辨率。通过仔细同步这两个脉冲，研究人员可以控制电子脉冲何时探测样本，以观察原子级的超快过程。
哈桑说：“人们长期以来一直期待提高电子显微镜内部的时间分辨率，这也是许多研究小组关注的重点——因为我们都想看到电子运动。”
“这些运动发生在阿秒级。但现在，我们首次能够利用电子透射显微镜获得阿秒级的时间分辨率——我们将其命名为‘阿秒显微镜’。这是我们第一次能够看到运动中的电子碎片。”