物理学和光学科学副教授 Mohammed Hassan 让一组研究人员开发了第一台功能强大到足以捕捉运动中电子图像的透射电子显微镜。图片来源：Amee Hennig

想象一下，拥有一台如此强大的相机，它可以拍摄移动电子的定格照片——一个移动速度如此之快的物体，可以在一秒钟内绕地球转多次。亚利桑那大学的研究人员开发了世界上最快的电子显微镜，可以做到这一点。

他们相信他们的工作将导致物理学、化学、生物工程、材料科学等领域的突破性进步。

“当你得到最新版本的智能手机时，它会配备更好的相机，”物理学和光学科学副教授穆罕默德·哈桑 （Mohammed Hassan） 说。

“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，例如电子。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。

Hassan 领导了物理学和光学科学系的一个研究团队，他们在 Science Advances 杂志上发表了研究文章“Attosecond electron microscopy and diffraction”。

Hassan 与物理学助理教授 Nikolay Golubev 一起工作;丹丹·许，共同第一作者，前光学与物理研究助理，现就职于中国科习安光学与精密机械研究所;Husain Alqattan，共同第一作者、U of A 校友、科威特大学物理学助理教授;以及 Mohamed Sennary，一名学习光学和物理学的研究生。

透射电子显微镜是科学家和研究人员用来将物体放大到实际大小的数百万倍的工具，以便看到传统光学显微镜无法检测到的微小细节。

透射电子显微镜不使用可见光，而是将电子束引导穿过正在研究的任何样品。电子和样品之间的相互作用由镜头捕捉，并由相机传感器检测，以生成样品的详细图像。

利用这些原理的超快电子显微镜于 2000 年代首次开发，并使用激光产生脉冲电子束。这项技术大大提高了显微镜的时间分辨率，即测量和观察样品随时间变化的能力。

在这些超快显微镜中，透射电子显微镜的分辨率不是依靠相机快门的速度来决定图像质量，而是由电子脉冲的持续时间决定的。

脉冲越快，图像越好。

超快电子显微镜以前通过以几阿秒的速度发射一串电子脉冲来操作。一阿秒是一五分之一秒。这些速度的脉冲会产生一系列图像，就像电影中的帧一样，但科学家们仍然错过了在这些帧之间发生的电子在实时演化过程中的反应和变化。

为了看到电子冻结在原地，U of A 的研究人员首次产生了一个阿秒电子脉冲，它与电子移动的速度一样快，从而提高了显微镜的时间分辨率，就像高速相机捕捉原本不可见的运动一样。

Hassan 和他的同事以 Pierre Agostini、Ferenc Krausz 和 Anne L'Huilliere 的诺贝尔奖获奖成就为基础开展工作，后者在产生第一个极短的极紫外辐射脉冲后获得了 2023 年物理学小说奖，该脉冲如此之短，可以以阿秒为单位进行测量。

以这项工作为垫脚石，U of A 的研究人员开发了一种显微镜，其中强大的激光被分裂并转换为两部分——一个非常快的电子脉冲和两个超短的光脉冲。第一个光脉冲，称为泵脉冲，将能量馈送到样品中，并导致电子移动或发生其他快速变化。

第二个光脉冲，也称为“光门控脉冲”，通过创建一个短暂的时间窗口来产生门控的单个阿秒电子脉冲，从而起到门控的作用。因此，门控脉冲的速度决定了图像的分辨率。通过仔细同步两个脉冲，研究人员可以控制电子脉冲探测样品的时间，以观察原子水平的超快过程。

“电子显微镜内部时间分辨率的提高早已为人所期待，也是许多研究小组关注的焦点——因为我们都想看到电子运动，”Hassan 说。

“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。

更多信息：Dandan Hui 等人，阿秒电子显微镜和衍射，Science Advances（2024 年）。DOI：10.1126/sciadv.adp5805。www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp5805

期刊信息： Science Advances