走近阿秒！電子顯微鏡突破時空解析度的極限挑戰

一隻小小的蜂鳥每秒能夠拍打翅膀 80 次，在人類眼睛看來，蜂鳥的翅膀則是一片模糊的影子。要想得到一張飛行中的蜂鳥翅膀照片，需要高速攝影以及速度與之相匹配的照明技術的支持。

同樣地，在微觀世界中，當電子在原子之間移動時，它的位置和能量是以阿秒時間量級變化的。要想探查電子的運動狀態，給電子「拍視頻」，那這肯定離不開阿秒雷射脈衝的助力。阿秒雷射脈衝，就是持續時間在阿秒量級的一個閃光。

阿秒閃光產生的快照。圖片來源：Max Planck Institute of Quantum Optics, Thorsten Naeser

它的出現，推開了微觀世界的一道新大門，這意味著人們研究物質結構的能力上到了一個新的層面，基礎物理學的研究領域也因此掀起了一股新風潮。

當前，物理學大廈上空飄散著的烏雲，阿秒脈衝或許會帶來一些轉機。

阿秒電子顯微鏡

突破光學顯微分辨極限

想要觀察到電子運動帶來的電磁場變化，不僅僅需要足夠快的閃光燈，還需要解析度達到原子尺度的顯微鏡——透射電子顯微鏡。

電子顯微鏡能夠對觀察樣品的原子結構進行成像。目前，最高解析度的電子顯微鏡解析度可以達到 0.5 埃（0.05 納米）。

鎂樣品的高解析度電子顯微鏡。圖片來源：wikipedia

早期，人們在利用常規光學系統進行觀測的過程中逐步發現了光學系統的解析度問題。

1834 年，喬治·比德爾·艾里在用天文望遠鏡觀察天體時，發現了由於光的波動性而引起的衍射現象。

1835 年，他提出了艾里斑這種光學衍射極限對解析度限制的概念。

1878 年，克利夫蘭·阿貝指出光學顯微鏡分辨本領受到光波衍射的限制，給出了表示顯微鏡分辨本領極限的公式，指出顯微鏡的分辨能力受到光的波長限制。而目前的傳統光學顯微鏡，極限解析度為幾百納米。

1924 年，德布羅意提出了電子的波動性，這表明電子運動與光波有著深刻的相似性，為電子光學的建立和發展奠定了理論依據。

當時，一眾物理學家正因為光的波粒二象性吵得不可開交，德布羅意這一理論的提出更是讓物理學界異常熱鬧。他本人也因發現了電子的波動性以及對量子理論的研究而獲得了諾貝爾物理學獎。

高速運行的電子能夠被軸對稱的電場或磁場折射而聚焦，這說明利用電場或磁場能夠做成電子透鏡，好比玻璃能夠做成折射光的透鏡。

具備了充足理論基礎後，電子顯微鏡的誕生與發展便是水到渠成。

1931 年，第一台透射電子顯微鏡面世，它是利用陰極射線示波器改裝而來，所成的像放大倍率僅為 13 倍；1939 年，首台投放市場的商品電子顯微鏡被製造了出來，它的解析度優於 10 納米。

早期透射電子顯微鏡。圖片來源：Wikipedia

阿秒電子顯微鏡：

敲開物理學新大門

「阿秒光脈衝+透射電子顯微鏡」，這樣的組合意味著電子的行蹤在阿秒電子顯微鏡的眼皮底下無處可藏！

圖片來源：THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCES

2023 年，《自然》雜誌上的一篇文章報告了利用阿秒電子顯微鏡觀測雷射照射物體時，物體表面電子的運動過程。

圖片來源：參考文獻[1]

在這一實驗中，科學家利用阿秒雷射脈衝，將電子束調製成為了一系列時間在阿秒量級的電子脈衝，脈衝衝擊樣本後所產生的各類信號，經過能量過濾器去除噪聲後，記錄下電子運動所產生的電場照片，進而得知電子的運動狀態。

一系列這樣的照片疊加在一起，就得到了電子運動的「視頻」。

電子能量隨時間的變化圖像，1fs（飛秒）=1000as（阿秒）圖片來源：參考文獻[1]

精密測量電子的運動，實現對其物理性質的理解，進而控制原子內電子的動力學行為是人們追求的重要科學目標之一。有了阿秒脈衝，我們就能測量甚至操縱單個微觀粒子，進而對微觀世界，進行更基礎更具有原理性的觀察和描述。

結語

仰觀宇宙之大，俯察品類之盛。

縱觀自然科學的發展歷程，不難發現人類對於微觀世界的探索從未停歇。在技術飛速進步的今天，我們擁有了更多的手段與工具去開啟微觀世界的大門。儘管探索仍在路上，但微觀世界的熱鬧，終將被人們知曉。

參考文獻

[1] Nabben, David, Joel Kuttruff, Levin Stolz, Andrey Ryabov, and Peter Baum. "Attosecond electron microscopy of sub-cycle optical dynamics." Nature (2023): 1-5.

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[6] Li, Cheng, Jun-Chi Chen, Xing-Kun Wang, Ming-Hua Huang, Wolfgang Theis, Jun Li, and Meng Gu. "Going beyond atom visualization—Characterization of supported two-atom single-cluster catalysts with scanning transmission electron microscopy." Science China Materials (2023): 1-8.

策劃製作

作者丨海里的鹹魚（中國科學院長春光機所光學碩士）

出品丨科普中國

監製丨中國科普博覽

責編丨白莉