世界上最快的显微镜以阿秒为单位捕获电子运动

我们对亚原子领域进行成像的能力受到限制，不仅受到分辨率的限制，还受到速度的限制。构成原子并从原子中自由飞行的组成粒子可以，理论上，则以接近光速的速度移动。

在实践中，它们的移动速度通常要慢得多，但即使是这些较慢的速度，我们的眼睛或技术也无法看到。这使得观察电子的行为成为一项挑战，但现在一种新的显微镜成像技术的发展使科学家能够实时捕捉它们的运动。

这是亚利桑那大学图森分校 （University of Arizona Tucson） 物理学家团队的工作，由 Dandan Hui 和 Husain Alqattan 领导，它可以以阿秒级的速度拍摄图像;那是一个五分之一一秒钟。他们将这项技术命名为 attomicroscopy。

“电子显微镜内部时间分辨率的提高早已为人所期待，也是许多研究小组的重点，因为我们都想看到电子的运动，”物理学家穆罕默德·哈桑 （Mohammed Hassan） 说亚利桑那大学图森分校。

“这些动作发生在阿秒内。但现在，我们第一次能够使用电子透射显微镜实现阿秒时间分辨率——我们将其命名为“阿视显微镜”。我们第一次可以看到运动中的电子碎片。

透射电子显微镜或 TEM 是一种用于生成物理世界中最小结构图像的技术。它依靠电子而不是光来生成图像。电子束通过材料样品传输;电子和样品之间的相互作用是产生图像的原因。例如，下面是白细胞的 TEM 图像。

TEM 不是传统相机的快门速度，而是依赖于传输电子的激光脉冲的速度。激光脉冲的持续时间越快，得到的图像就越好。因此，如果您想要更好的图像质量，实现这一目标的方法是开发一种可以发射更短脉冲的激光器。

以前，TEM 激光器的持续时间达到几阿秒，在火车上释放，有点像短暂的静电爆发。

这绝对是了不起的，诺贝尔奖的成就;但问题是，虽然这会产生一系列图像，但电子的移动速度会快一些——因此脉冲之间电子的变化丢失了。

研究人员想看看他们是否能找到一种方法将脉冲束的持续时间缩短到一阿秒，即束流中电子的移动速度，从而使 TEM 能够在定格中捕获它们。

通过将脉冲分成三个：两个光脉冲和一个电子脉冲，实现了这一突破。第一个光脉冲称为泵脉冲。它将能量注入石墨烯sample，这会导致电子晃动。

紧接着是第二个光脉冲或门脉冲，它创建一个门或窗口。当它“打开”时，向样品发射单个阿秒电子脉冲，并捕获阿秒速度的亚原子过程。

结果是一张精确的电子动力学图——这张图为这些重要粒子的行为方式的新研究打开了大门。

“这款透射电子显微镜就像最新版本智能手机中非常强大的相机;它使我们能够拍摄以前无法看到的事物——比如电子。Hassan 说.

“通过这款显微镜，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。”

该研究已发表在科学进展.

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