科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然
電子的運(yùn)動(dòng)速度極快，一秒鐘內(nèi)就能繞地球好幾圈。美國(guó)亞利桑那大學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一款世界上最快的阿秒顯微鏡，能做到抓拍運(yùn)動(dòng)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(lái)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(shí)際尺寸的數(shù)百萬(wàn)倍。這種顯微鏡不使用可見(jiàn)光，而是將電子束引導(dǎo)穿過(guò)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(cè)，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(shí)間分辨率，即測(cè)量和觀察樣本隨時(shí)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(mén)速度來(lái)決定，而是由電子脈沖的持續(xù)時(shí)間決定。
為了看到定格的電子，研究團(tuán)隊(duì)首次生成了1阿秒的電子脈沖，其速度與電子移動(dòng)速度一樣快，從而提高了顯微鏡的時(shí)間分辨率，就像高速攝像機(jī)捕捉到原本不可見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)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(gè)非?？斓碾娮用}沖和兩個(gè)超短的光脈沖。第一個(gè)光脈沖稱(chēng)為泵浦脈沖，它將能量輸送到樣品中，使電子移動(dòng)或發(fā)生其他快速變化；第二個(gè)光脈沖稱(chēng)為光門(mén)控脈沖，它的作用類(lèi)似于門(mén)，通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)短暫的時(shí)間窗口來(lái)生成門(mén)控的單個(gè)阿秒電子脈沖。因此，門(mén)控脈沖的速度決定了圖像的分辨率。通過(guò)仔細(xì)同步這兩個(gè)脈沖，團(tuán)隊(duì)可控制電子脈沖對(duì)樣品的探測(cè)，從而首次使用顯微鏡拍到運(yùn)動(dòng)中的電子。
總編輯圈點(diǎn)：
想象一下，有一臺(tái)功能極其強(qiáng)大的相機(jī)，它可給運(yùn)動(dòng)中的電子抓拍定格照片，那將給微觀研究領(lǐng)域帶來(lái)多么大的助力！不過(guò)，電子運(yùn)動(dòng)都發(fā)生在阿秒級(jí)范疇，想要實(shí)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(duì)成功讓電子透射顯微鏡獲得了阿秒級(jí)時(shí)間分辨率，這是完成抓拍的最關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。憑借此技術(shù)，人們將能看到此前光學(xué)顯微鏡無(wú)法捕捉的神奇畫(huà)面。
