电子显微镜得到了阿秒的提升

电子显微镜使我们能够深入了解物质的最小细节，例如，可以使材料的原子结构，蛋白质的结构或病毒颗粒的形状可见。然而，自然界中的大多数物质都不是静态的，而是相互作用、运动和不断变化的。最重要的现象之一是光与物质之间的相互作用，这在植物、光学元件、太阳能电池、显示器和激光器中无处不在。这些相互作用——由由光的振荡移动的电子定义——发生在阿秒的超快时间尺度上，即10-18秒或十亿分之一秒的十亿分之一。到目前为止，还不可能在如此极端的速度下直接看到光和物质的反应动力学。

来自康斯坦茨大学和慕尼黑路德维希马克西米利安大学的一组物理学家现在成功地将透射电子显微镜(TEM)与连续波激光结合起来，从而设计出了阿秒电子显微镜(A-TEM)的原型。研究结果发表在最新一期的科学的进步．

电子束的调制

“光学、纳米光子学或超材料的基本现象发生在阿秒内，也就是说，在比光周期短的时间跨度内，”该研究的第一作者、康斯坦茨大学物理系光与物质工作组负责人彼得·鲍姆教授解释说。“为了能够使光与物质之间的超快相互作用可见，需要低于光振荡周期的时间分辨率。”传统的透射电子显微镜使用连续的电子束照射样品并生成图像。为了达到这种阿秒的时间分辨率，Baum的团队使用连续波激光的快速振荡来调节显微镜内电子束的时间。

超短电子脉冲

科学家们用一种薄膜来打破激光波光学振荡的对称性，这是他们实验中的关键元素。在激光照射的薄膜中，电子被快速连续地加速和减速。“这意味着电子束在电子显微镜下被转换成一系列超短电子脉冲，”博士后研究员安德烈·里亚博夫博士说，他是这项研究的第一作者。从第一个激光波中分离出另一个激光波，在被检查的物体中产生光学现象。然后用超短电子脉冲测量物体及其对激光的反应。

适应容易，影响大

“我们的方法的主要优点是我们使用电子显微镜内现有的连续电子束，而不是改变电子源。因此，我们每秒的电子数量比以前的实验多一百万倍，基本上是光源的全部亮度，这是任何实际应用的基本要求，”Ryabov继续说道。另一个优点是对显微镜进行必要的技术调整相当简单，不需要对电子枪进行任何修改。

因此，现在有可能在一系列的时空成像过程中实现阿秒分辨率，例如在时间分辨全息术、波形电子显微镜或激光辅助电子能谱中。从长远来看，新的阿秒电子显微镜可以帮助我们更好地理解复杂材料和生物物质中光-物质相互作用的原子起源，并优化它们的应用。

参考:Ryabov A, Thurner JW, Nabben, Tsarev MV, Baum P.连续光束透射电子显微镜的阿秒测量。科学。睡觉。2020; 6(46)。doi:10.1126 / sciadv.abb1393

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