世界最快顯微鏡，阿秒級洞察電子運動奧秘

想象一下，存在一種強大到能以阿秒級速度運行的相機，阿秒即一秒的百萬億分之一！

世界上最新、最快的顯微鏡能夠捕捉到電子的運動，電子這種粒子速度極快，短短一秒內就能繞地球好幾圈。

物理學和光學科學的副教授穆罕默德·哈桑（Mohammed Hassan）是這個項目的負責人。

“這種透射電子顯微鏡就像最新款智能手機中功能強大的相機；它使我們能夠拍攝到以前看不到的東西——比如電子，”哈桑解釋道。

憑藉這個創新工具，哈桑和他的團隊希望助力科學界更深入地探究支配電子行爲和運動的量子物理學。

透射電子顯微鏡（TEMs）長期以來一直是科學研究中的主要工具。

這些設備能夠將物體放大至實際大小的數百萬倍，揭示出遠遠超出傳統光學顯微鏡能力範疇的細節。

透射電子顯微鏡並非使用可見光，而是引導電子束穿過樣本。

超快電子顯微鏡的原理爲利用激光生成電子脈衝束，這一原理於 21 世紀初首次得以開發。

這種方法顯著提升了顯微鏡的時間分辨率，也就是其隨時間觀察樣本變化的能力。

傳統相機的圖像質量取決於快門速度，而在透射電子顯微鏡（TEM）中，分辨率由電子脈衝的持續時長決定。脈衝越短，圖像就越清晰。

即便有了這些進步，在捕捉電子行爲最爲短暫的瞬間時，仍存在差距。

以前的超快電子顯微鏡所使用的電子脈衝速度爲幾阿秒，一阿秒是一秒的百萬億分之一。

這些脈衝能夠產生一系列圖像，就如同電影中的幀一般，然而科學家們仍然錯失了這些幀之間所發生的電子行爲的細微變化。

爲了克服這一限制，哈桑和他的團隊通過生成單個阿秒電子脈衝取得了重大突破。

這個脈衝和電子自身的運動速度相同，使得顯微鏡能夠定格捕捉這些難以捉摸的粒子。

這一成果提升了顯微鏡的時間分辨率，讓它宛如能夠抓拍肉眼無法看見的運動的高速攝像機。

這一創新並非無中生有；它是在皮埃爾·阿戈斯蒂尼、費倫茨·克勞茲和安妮·勒伊利耶的諾貝爾獎獲獎工作的基礎上發展而來的，他們於 2023 年因生成了首個以阿秒計量的極紫外輻射脈衝而獲得認可。

哈桑的團隊將這一概念進一步推進，造出了一種能把強大的激光分爲兩個部分的顯微鏡：一個快速電子脈衝和兩個超短光脈衝。

第一個光脈衝，稱作‘泵浦脈衝’，把能量注入樣本，致使電子移動或者經歷快速的變化。

第二個光脈衝，也就是‘光閘脈衝’，發揮了閘門的作用，營造出一個短暫的窗口，在這個窗口中產生單個阿秒電子脈衝。

這個光閘脈衝的速度決定着圖像的分辨率。通過精準同步這些脈衝，研究人員能夠在原子層面捕捉超快過程。

“電子顯微鏡內部時間分辨率的提高一直備受期待，也是許多研究小組的重點——因爲我們都想看到電子的運動，”哈桑說。

“這些運動發生在阿秒級。但現在，我們首次能夠用我們的電子透射顯微鏡實現阿秒級的時間分辨率——我們將其稱爲‘阿秒顯微鏡’。我們首次能夠看到運動中的電子片段。”

這一突破的影響是深遠的。瞭解電子行爲對於許多科學領域而言是基礎性的。

例如，在化學領域，它可能會爲原子如何結合和相互作用帶來新的認識，爲新的化學反應和材料的產生鋪平道路。

在生物工程領域，這項技術能夠更細緻地觀察生物過程，有可能爲疾病帶來新的治療手段。

此外，在材料科學領域，阿秒顯微鏡可能揭示材料在應力下或在原子水平上的變化行爲，從而促使更強、更具彈性的材料得以開發。

實時觀察這些過程的這種能力或許能夠推動此前無法達成的技術和醫學創新。

世界上最快電子顯微鏡的研發是我們在觀察和理解宇宙基本構成部分的能力上的一次巨大飛躍。向穆罕默德·哈桑及其出色的團隊致敬！

哈桑率領着物理系和光學科學系的一個研究團隊，在《科學進展》雜誌上發表了研究文章《阿秒電子顯微鏡和衍射》。

哈桑與物理學助理教授尼古拉·戈盧別夫、共同第一作者兼前光學與物理學研究助理丹丹·惠（現於中國科學院西安光學精密機械研究所工作）、共同第一作者、阿肯色大學校友及科威特大學物理學助理教授侯賽因·阿爾卡坦，還有研究光學和物理學的研究生穆罕默德·塞納裡一同工作。