阿秒电子显微镜——时空分辨率的极限挑战

出品：科普中国

作者：海里的咸鱼（中国科学院长春光机所光学硕士）

监制：中国科普博览

与阿秒相关的热门话题，当属2023年的诺贝尔物理学奖颁发给了三位阿秒物理领域的实验物理学家。秒在人类世界中已经是非常短暂的存在，而阿秒更是人类难以感知的瞬时流逝。

阿秒之于人类，既难以感知，又难以捕捉，但它却对物理、信息科学等多个研究领域都有着极其重要的意义。打开阿秒的大门，微观世界的奇妙正在等着我们。

三位阿秒物理领域的实验物理学家

（图片来源：诺贝尔奖官网）

走进阿秒的世界

阿秒作为一个时间单位，1阿秒=10^-18秒，这是什么概念呢？一秒中之内的阿秒数，和宇宙诞生以来的秒数相同。

（图片来源：THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCES）

更具体地来说，一道光从一间寻常大小房间的一端传播到另一端的墙上，这需要上百亿阿秒。真空中，光在一阿秒内能够前进的距离大约是0.3纳米。

一只小小的蜂鸟每秒能够拍打翅膀80次，在人类眼睛看来，蜂鸟的翅膀则是一片模糊的影子。要想得到一张飞行中的蜂鸟翅膀照片，需要高速摄影以及速度与之相匹配的照明技术的支持。

同样地，在微观世界中，当电子在原子之间移动时，它的位置和能量是以阿秒时间量级变化的。要想探查电子的运动状态，给电子“拍视频”，那这肯定离不开阿秒激光脉冲的助力。阿秒激光脉冲，就是持续时间在阿秒量级的一个闪光。

阿秒闪光产生的快照

（图片来源：Max Planck Institute of Quantum Optics, Thorsten Naeser）

它的出现，推开了微观世界的一道新大门，这意味着人们研究物质结构的能力上到了一个新的层面，基础物理学的研究领域也因此掀起了一股新风潮。

当前，物理学大厦上空飘散着的乌云，阿秒脉冲或许会带来一些转机。

电子显微镜，突破光学显微分辨极限

想要观察到电子运动带来的电磁场变化，不仅仅需要足够快的闪光灯，还需要分辨率达到原子尺度的显微镜——透射电子显微镜。

电子显微镜能够对观察样品的原子结构进行成像。目前，最高分辨率的电子显微镜分辨率可以达到0.5埃（0.05纳米）。

镁样品的高分辨率电子显微镜

（图片来源：wikipedia）

早期，人们在利用常规光学系统进行观测的过程中逐步发现了光学系统的分辨率问题。

1834年，乔治·比德尔·艾里在用天文望远镜观察天体时，发现了由于光的波动性而引起的衍射现象。1835年，他提出了艾里斑这种光学衍射极限对分辨率限制的概念。

1878年，克利夫兰·阿贝指出光学显微镜分辨本领受到光波衍射的限制，给出了表示显微镜分辨本领极限的公式，指出显微镜的分辨能力受到光的波长限制。而目前的传统光学显微镜，极限分辨率为几百个纳米。

为了突破光学显微镜的极限，人们在寻找高分辨率显微镜的努力中逐渐把注意力转移到了真空中高速运动的电子上。

1924年，德布罗意提出了电子的波动性，这表明电子运动与光波有着深刻的相似性，为电子光学的建立和发展奠定了理论依据。

当时，一众物理学家正因为光的波粒二象性吵得不可开交，德布罗意这一理论的提出更是让物理学界异常热闹。他本人也因发现了电子的波动性以及对量子理论的研究而获得了诺贝尔物理学奖。

高速运行的电子能够被轴对称的电场或磁场折射而聚焦，这说明利用电场或磁场能够做成电子透镜，好比玻璃能够做成折射光的透镜。

具备了充足理论基础后，电子显微镜的诞生与发展便是水到渠成。

1931年，第一台透射电子显微镜面世，它是利用阴极射线示波器改装而来，所成的像放大倍率仅为13倍；1939年，首台投放市场的商品电子显微镜被制造了出来，它的分辨率优于10纳米。

早期透射电子显微镜

（图片来源：Wikipedia）

阿秒电子显微镜：敲开物理学新大门

“阿秒光脉冲+透射电子显微镜”，这样的组合意味着电子的行踪在阿秒电子显微镜的眼皮底下无处可藏！

（图片来源：THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCES）

2023年，《自然》杂志上的一篇文章报告了利用阿秒电子显微镜观测激光照射物体时，物体表面电子的运动过程。

（图片来源：参考文献[1]）

在这一实验中，科学家利用阿秒激光脉冲，将电子束调制成为了一系列时间在阿秒量级的电子脉冲，脉冲冲击样本后所产生的各类信号，经过能量过滤器去除噪声后，记录下电子运动所产生的电场照片，进而得知电子的运动状态。

一系列这样的照片叠加在一起，就得到了电子运动的“视频”。

电子能量随时间的变化图像，1fs（飞秒）=1000as（阿秒）

（图片来源：参考文献[1]）

精密测量电子的运动，实现对其物理性质的理解，进而控制原子内电子的动力学行为是人们追求的重要科学目标之一。有了阿秒脉冲，我们就能测量甚至操纵单个微观粒子，进而对微观世界，进行更基础更具有原理性的观察和描述。

结语

仰观宇宙之大，俯察品类之盛。

纵观自然科学的发展历程，不难发现人类对于微观世界的探索从未停歇。在技术飞速进步的今天，我们拥有了更多的手段与工具去开启微观世界的大门。尽管探索仍在路上，但微观世界的热闹，终将被人们知晓。

参考文献：

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

[2] Corkum, P. Á., & Krausz, F. (2007). Attosecond science. Nature physics, 3(6), 381-387.

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[4] 黄思远, 田焕芳, 郑丁国, 李中文, 朱春辉, 杨槐馨, and 李建奇. "高时空分辨透射电子显微镜发展与应用." 世界科技研究与发展 44, no. 3 (2022): 392.

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