科技日報記者 張夢然

電子的運動速度極快，一秒鐘內(nèi)就能繞地球好幾圈。美國亞利桑那大學(xué)團(tuán)隊開發(fā)出一款世界上最快的阿秒顯微鏡，能做到抓拍運動電子的定格圖像。該顯微鏡將為物理學(xué)、化學(xué)、生物工程、材料科學(xué)等領(lǐng)域帶來突破。研究成果發(fā)表在最新一期《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。

透射電子顯微鏡可將物體放大到實際尺寸的數(shù)百萬倍。這種顯微鏡不使用可見光，而是將電子束引導(dǎo)穿過研究樣本。電子與樣本之間的相互作用被鏡頭捕捉，并由相機(jī)傳感器檢測，以生成樣本的詳細(xì)圖像。

利用這些原理的超快電子顯微鏡，使用激光產(chǎn)生脈沖電子束。這種技術(shù)大大提高了顯微鏡的時間分辨率，即測量和觀察樣本隨時間變化的能力。在這些超快顯微鏡中，透射電子顯微鏡的分辨率不是依靠相機(jī)快門速度來決定，而是由電子脈沖的持續(xù)時間決定。

為了看到定格的電子，研究團(tuán)隊首次生成了1阿秒的電子脈沖，其速度與電子移動速度一樣快，從而提高了顯微鏡的時間分辨率，就像高速攝像機(jī)捕捉到原本不可見的運動一樣。

在新顯微鏡中，強(qiáng)大的激光被分裂并轉(zhuǎn)換成兩部分，一個非常快的電子脈沖和兩個超短的光脈沖。第一個光脈沖稱為泵浦脈沖，它將能量輸送到樣品中，使電子移動或發(fā)生其他快速變化；第二個光脈沖稱為光門控脈沖，它的作用類似于門，通過創(chuàng)建一個短暫的時間窗口來生成門控的單個阿秒電子脈沖。因此，門控脈沖的速度決定了圖像的分辨率。通過仔細(xì)同步這兩個脈沖，團(tuán)隊可控制電子脈沖對樣品的探測，從而首次使用顯微鏡拍到運動中的電子。

總編輯圈點：

想象一下，有一臺功能極其強(qiáng)大的相機(jī)，它可給運動中的電子抓拍定格照片，那將給微觀研究領(lǐng)域帶來多么大的助力！不過，電子運動都發(fā)生在阿秒級范疇，想要實現(xiàn)抓拍，必須突破現(xiàn)有顯微鏡技術(shù)。本文的研究團(tuán)隊成功讓電子透射顯微鏡獲得了阿秒級時間分辨率，這是完成抓拍的最關(guān)鍵技術(shù)點。憑借此技術(shù)，人們將能看到此前光學(xué)顯微鏡無法捕捉的神奇畫面。