定格：研究人員開發出世界上最快的顯微鏡，可以看到運動中的電子

以下翻译自原文：

想像一下，擁有一台功能如此強大的相機，它可以拍攝移動電子的定格照片——一個移動速度如此之快的物體，可以在一秒鐘內繞地球許多圈。亞利桑那大學的研究人員開發了世界上最快的電子顯微鏡，可以做到這一點。

他們相信他們的工作將帶來物理、化學、生物工程、材料科學等領域的突破性進步。

「當你獲得最新版本的智慧型手機時，它會配備更好的相機，」物理和光學科學副教授穆罕默德·哈桑說。

「這款透射電子顯微鏡就像最新版本智慧型手機中的一個非常強大的相機；它使我們能夠拍攝以前看不到的東西——例如電子。透過這款顯微鏡，我們希望科學界能夠了解電子行為和電子運動背後的量子物理學。

哈桑帶領物理和光學科學系的研究團隊在《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 (Nikolay Golubev) 一起工作。惠丹丹，共同第一作者，前光學與物理研究員，現任職於中國科學院西安光學精密機械研究所； Husain Alqattan，共同主要作者、阿爾伯塔大學校友、科威特大學物理學助理教授；穆罕默德·塞納裡 (Mohamed Sennary)，一名研究光學和物理學的研究生。

透射電子顯微鏡是科學家和研究人員使用的工具，可將物體放大至實際尺寸的數百萬倍，以便看到傳統光學顯微鏡無法檢測到的小細節。

透射電子顯微鏡不使用可見光，而是引導電子束穿過正在研究的任何樣品。電子和樣品之間的相互作用由鏡頭捕獲並由相機感測器檢測，以產生樣品的詳細影像。

採用這些原理的超快電子顯微鏡最早於 2000 年代開發出來，並使用雷射產生脈衝電子束。這項技術大大提高了顯微鏡的時間分辨率，即測量和觀察樣品隨時間變化的能力。

在這些超快顯微鏡中，透射電子顯微鏡的分辨率由電子脈衝的持續時間決定，而不是依靠相機快門的速度來決定影像品質。

脈衝越快，影像越好。

超快電子顯微鏡以前是透過以幾阿秒的速度發射一系列電子脈衝來操作的。阿托秒是十億分之一秒。這些速度的脈衝會產生一系列影像，就像電影中的影格一樣，但科學家們仍然錯過了電子在這些影格之間即時演化時所發生的反應和變化。

為了觀察凍結在原地的電子，阿爾伯塔大學的研究人員首次產生了單一阿秒電子脈衝，該脈衝的速度與電子移動的速度一樣快，從而提高了顯微鏡的時間分辨率，就像高速相機捕捉運動一樣否則將是看不見的。

哈桑和他的同事們的工作以皮埃爾·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini)、費倫茨·克勞斯(Ferenc Krausz) 和安妮·盧利埃(Anne L'Huilliere) 獲得諾貝爾獎的成就為基礎，他們在產生第一個極短的極紫外線輻射脈衝後，於2023 年獲得了物理學小說獎。

以這項工作為基礎，阿爾伯塔大學的研究人員開發了一種顯微鏡，其中強大的雷射被分裂並轉換成兩部分——一個非常快的電子脈衝和兩個超短光脈衝。第一個光脈衝（稱為泵浦脈衝）將能量注入樣品並導致電子移動或經歷其他快速變化。

第二個光脈衝，也稱為“光選通脈衝”，透過創建一個短暫的時間視窗來像門一樣起作用，在該時間視窗中產生選通的單一阿秒電子脈衝。因此，選通脈衝的速度決定了影像的解析度。透過仔細同步兩個脈衝，研究人員可以控制電子脈衝何時探測樣品，以觀察原子水平的超快過程。

哈桑說：“人們長期以來一直期待電子顯微鏡內部時間分辨率的提高，這也是許多研究小組的焦點，因為我們都想看到電子運動。”

「這些運動發生在阿秒內。但現在，我們第一次能夠使用電子透射顯微鏡獲得阿秒時間分辨率，我們稱之為「原子顯微鏡」。這是我們第一次看到運動中的電子碎片。

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原文：https://phys.org/news/2024-08-world-fastest-microscope-electrons-motion.html

More information: Dandan Hui et al, Attosecond electron microscopy and diffraction, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adp5805. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp5805
更多資訊： Dandan Hui 等人，阿秒電子顯微鏡和衍射，科學進展(2024)。 DOI：10.1126/sciadv.adp5805 。 www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp5805

Journal information: Science Advances
期刊資訊：科學進展

油管：https://youtu.be/yPQomiusUdM