世界最快显微镜，阿秒级洞察电子运动奥秘

想象一下，存在一种强大到能以阿秒级速度运行的相机，阿秒即一秒的百万亿分之一！

世界上最新、最快的显微镜能够捕捉到电子的运动，电子这种粒子速度极快，短短一秒内就能绕地球好几圈。

物理学和光学科学的副教授穆罕默德·哈桑（Mohammed Hassan）是这个项目的负责人。

“这种透射电子显微镜就像最新款智能手机中功能强大的相机；它使我们能够拍摄到以前看不到的东西——比如电子，”哈桑解释道。

凭借这个创新工具，哈桑和他的团队希望助力科学界更深入地探究支配电子行为和运动的量子物理学。

透射电子显微镜（TEMs）长期以来一直是科学研究中的主要工具。

这些设备能够将物体放大至实际大小的数百万倍，揭示出远远超出传统光学显微镜能力范畴的细节。

透射电子显微镜并非使用可见光，而是引导电子束穿过样本。

超快电子显微镜的原理为利用激光生成电子脉冲束，这一原理于 21 世纪初首次得以开发。

这种方法显著提升了显微镜的时间分辨率，也就是其随时间观察样本变化的能力。

传统相机的图像质量取决于快门速度，而在透射电子显微镜（TEM）中，分辨率由电子脉冲的持续时长决定。脉冲越短，图像就越清晰。

即便有了这些进步，在捕捉电子行为最为短暂的瞬间时，仍存在差距。

以前的超快电子显微镜所使用的电子脉冲速度为几阿秒，一阿秒是一秒的百万亿分之一。

这些脉冲能够产生一系列图像，就如同电影中的帧一般，然而科学家们仍然错失了这些帧之间所发生的电子行为的细微变化。

为了克服这一限制，哈桑和他的团队通过生成单个阿秒电子脉冲取得了重大突破。

这个脉冲和电子自身的运动速度相同，使得显微镜能够定格捕捉这些难以捉摸的粒子。

这一成果提升了显微镜的时间分辨率，让它宛如能够抓拍肉眼无法看见的运动的高速摄像机。

这一创新并非无中生有；它是在皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳兹和安妮·勒伊利耶的诺贝尔奖获奖工作的基础上发展而来的，他们于 2023 年因生成了首个以阿秒计量的极紫外辐射脉冲而获得认可。

哈桑的团队将这一概念进一步推进，造出了一种能把强大的激光分为两个部分的显微镜：一个快速电子脉冲和两个超短光脉冲。

第一个光脉冲，称作‘泵浦脉冲’，把能量注入样本，致使电子移动或者经历快速的变化。

第二个光脉冲，也就是‘光闸脉冲’，发挥了闸门的作用，营造出一个短暂的窗口，在这个窗口中产生单个阿秒电子脉冲。

这个光闸脉冲的速度决定着图像的分辨率。通过精准同步这些脉冲，研究人员能够在原子层面捕捉超快过程。

“电子显微镜内部时间分辨率的提高一直备受期待，也是许多研究小组的重点——因为我们都想看到电子的运动，”哈桑说。

“这些运动发生在阿秒级。但现在，我们首次能够用我们的电子透射显微镜实现阿秒级的时间分辨率——我们将其称为‘阿秒显微镜’。我们首次能够看到运动中的电子片段。”

这一突破的影响是深远的。了解电子行为对于许多科学领域而言是基础性的。

例如，在化学领域，它可能会为原子如何结合和相互作用带来新的认识，为新的化学反应和材料的产生铺平道路。

在生物工程领域，这项技术能够更细致地观察生物过程，有可能为疾病带来新的治疗手段。

此外，在材料科学领域，阿秒显微镜可能揭示材料在应力下或在原子水平上的变化行为，从而促使更强、更具弹性的材料得以开发。

实时观察这些过程的这种能力或许能够推动此前无法达成的技术和医学创新。

世界上最快电子显微镜的研发是我们在观察和理解宇宙基本构成部分的能力上的一次巨大飞跃。向穆罕默德·哈桑及其出色的团队致敬！

哈桑率领着物理系和光学科学系的一个研究团队，在《科学进展》杂志上发表了研究文章《阿秒电子显微镜和衍射》。

哈桑与物理学助理教授尼古拉·戈卢别夫、共同第一作者兼前光学与物理学研究助理丹丹·惠（现于中国科学院西安光学精密机械研究所工作）、共同第一作者、阿肯色大学校友及科威特大学物理学助理教授侯赛因·阿尔卡坦，还有研究光学和物理学的研究生穆罕默德·塞纳里一同工作。