世界上最快的顯微鏡以阿秒為單位捕獲電子運(yùn)動(dòng)

我們對(duì)亞原子領(lǐng)域進(jìn)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(gòu)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(dòng)。

在實(shí)踐中，它們的移動(dòng)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(shù)也無(wú)法看到。這使得觀察電子的行為成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)，但現(xiàn)在一種新的顯微鏡成像技術(shù)的發(fā)展使科學(xué)家能夠?qū)崟r(shí)捕捉它們的運(yùn)動(dòng)。

這是亞利桑那大學(xué)圖森分校 （University of Arizona Tucson） 物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)的工作，由 Dandan Hui 和 Husain Alqattan 領(lǐng)導(dǎo)，它可以以阿秒級(jí)的速度拍攝圖像;那是一個(gè)五分之一一秒鐘。他們將這項(xiàng)技術(shù)命名為 attomicroscopy。

“電子顯微鏡內(nèi)部時(shí)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(diǎn)，因?yàn)槲覀兌枷肟吹诫娮拥倪\(yùn)動(dòng)，”物理學(xué)家穆罕默德·哈桑 （Mohammed Hassan） 說(shuō)亞利桑那大學(xué)圖森分校。

“這些動(dòng)作發(fā)生在阿秒內(nèi)。但現(xiàn)在，我們第一次能夠使用電子透射顯微鏡實(shí)現(xiàn)阿秒時(shí)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(yùn)動(dòng)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(jié)構(gòu)圖像的技術(shù)。它依靠電子而不是光來(lái)生成圖像。電子束通過(guò)材料樣品傳輸;電子和樣品之間的相互作用是產(chǎn)生圖像的原因。例如，下面是白細(xì)胞的 TEM 圖像。

TEM 不是傳統(tǒng)相機(jī)的快門(mén)速度，而是依賴(lài)于傳輸電子的激光脈沖的速度。激光脈沖的持續(xù)時(shí)間越快，得到的圖像就越好。因此，如果您想要更好的圖像質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法是開(kāi)發(fā)一種可以發(fā)射更短脈沖的激光器。

以前，TEM 激光器的持續(xù)時(shí)間達(dá)到幾阿秒，在火車(chē)上釋放，有點(diǎn)像短暫的靜電爆發(fā)。

這絕對(duì)是了不起的，諾貝爾獎(jiǎng)的成就;但問(wèn)題是，雖然這會(huì)產(chǎn)生一系列圖像，但電子的移動(dòng)速度會(huì)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(xù)時(shí)間縮短到一阿秒，即束流中電子的移動(dòng)速度，從而使 TEM 能夠在定格中捕獲它們。

通過(guò)將脈沖分成三個(gè)：兩個(gè)光脈沖和一個(gè)電子脈沖，實(shí)現(xiàn)了這一突破。第一個(gè)光脈沖稱(chēng)為泵脈沖。它將能量注入石墨烯sample，這會(huì)導(dǎo)致電子晃動(dòng)。

緊接著是第二個(gè)光脈沖或門(mén)脈沖，它創(chuàng)建一個(gè)門(mén)或窗口。當(dāng)它“打開(kāi)”時(shí)，向樣品發(fā)射單個(gè)阿秒電子脈沖，并捕獲阿秒速度的亞原子過(guò)程。

結(jié)果是一張精確的電子動(dòng)力學(xué)圖——這張圖為這些重要粒子的行為方式的新研究打開(kāi)了大門(mén)。

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

“通過(guò)這款顯微鏡，我們希望科學(xué)界能夠了解電子行為和電子運(yùn)動(dòng)背后的量子物理學(xué)?！?/p>

該研究已發(fā)表在科學(xué)進(jìn)展.

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