震惊！世界上最快显微镜可捕捉阿秒级电子

电子显微镜已经存在了近一个世纪，但一项具有破纪录意义的现代革新终于实现了物理学家们几十年来一直期待看到的成果：首次，一台透射电子显微镜能够如此清晰地捕捉到一个电子，以至于能够看清其各个组成部分。研究人员认为，他们已经开辟了一个全新的光学科学领域，他们现在称之为“亚原子显微镜”，这将对量子物理学、生物学和化学领域产生影响。

这一突破来自亚利桑那大学专家领导的一个团队，并于 8 月 21 日发表在《科学进展》的一项新研究中进行了详细介绍。亚利桑那大学物理学和光学科学副教授穆罕默德·哈桑将透射电子显微镜比作智能手机的摄像头。

“当你获得最新款智能手机时，它会配备更好的相机，”哈桑周三在一份 大学随附的声明 中说道。“……有了这台显微镜，我们希望科学界能够理解电子行为和运动背后的量子物理原理。”

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虽然原始电子显微镜在 20 世纪 30 年代初问世（关于谁发明了第一台电子显微镜，至今仍存有争议），但自 21 世纪初以来，科学家们一直依靠所谓的透射电子显微镜。在这些设备中，物体被放大了数百万倍之多，远远超出了光学显微镜所能达到的程度。这是因为其依赖于朝目标发射的电子激光束脉冲。在那里，极其精确的相机传感器和镜头在这些原子粒子穿过样本时为其成像。在这些图像之间所观察到的对象的变化被称作显微镜的时间分辨率。为了提高分辨率，研究人员已转而将这些激光脉冲加快到仅持续千万亿分之一秒的阿秒级。

但即便在这里，问题在于“阿秒”，这里是复数形式。如果物理学家曾经希望能捕捉到一个静止的单个电子，并详细描述其令人难以理解的快速亚原子反应和相互作用，他们就需要一台能够发射单个阿秒脉冲的透射式电子显微镜。为了实现这一目标，研究人员将目光转向了由 2023 年诺贝尔物理学奖得主所开创的工作，他们产生了第一个极紫外辐射脉冲，同样以阿秒为单位测量。在此基础上，该团队最终实现了一阿秒的基准。

为了实现这一目标，研究人员开发并制造了一种新的显微镜，它将其激光分裂成一个单电子脉冲和两个超短光脉冲。第一个光脉冲，称为泵浦脉冲，给样品中的电子注入能量。接下来，所谓的光门控脉冲被触发，为一个一阿秒的电子脉冲提供了一个极其微小的时间范围，使其得以从显微镜中发射出来。一旦两个超短光脉冲正确同步，操作人员对电子脉冲进行定时，以帮助在阿秒级的时间分辨率下捕捉原子事件。

“电子显微镜内部时间分辨率的提高长期以来一直令人期待，也是许多研究小组的研究重点，”哈桑周三表示。“……这是我们头一次能够看到处于运动中的电子片段。”

根据该研究的摘要，阿秒显微镜将使物理学家、光学科学家及其他专家能够以前所未有的详尽程度研究电子运动，并“在实时和空间领域中将其与物质的结构动力学直接关联起来”。他们说，这有望为“量子物理、化学和生物学中的现实生活中的阿秒科学应用”铺平道路。