一群物理學家開發出世上拍攝速度最快的電子顯微鏡，透過控制阿秒尺度脈衝，可在電子以每秒 2,200 公里速度移動時定格電子運動影像。
穿透式電子顯微鏡（TEM）是科學家與研究人員在使用的工具，能將物體放大數百萬倍，看到傳統光學顯微鏡無法檢測的小細節，這類型顯微鏡不依賴可見光，而是引導電子束穿過樣品，等相機感測器檢測電子與樣品相互作用後產生樣品詳細影像。
採用此原理的超快電子顯微鏡最早於 2000 年代開發出來，利用雷射產生脈衝電子束，明顯提升時間解析度，即觀察樣品隨時間變化的能力。
與影像品質取決於相機快門速度的傳統顯微鏡不同，透射電子顯微鏡的解析度由電子脈衝持續時間決定，原理很簡單：脈衝越快，影像越清晰。
而亞利桑那大學物理學家開發出的新型原子顯微鏡，便是基於雷射但更先進的穿透式電子顯微鏡，利用電子束撞擊移動的電子對直徑小至奈米的物體進行成像，比如原子、電子雲。
▲ 物理學家開發的新型電子顯微鏡構造&原理。（Source：Science Advances 期刊）
早期超快電子顯微鏡透過發射一系列電子脈衝進行後續操作，其速度以阿秒為單位，這些脈衝像電影幀格一樣建立出連續影像，但幀格之間電子的快速變化、反應仍難以捉摸。
為了拍攝超快速移動物體，亞利桑那大學團隊首次產生與電子移動速度相符的單一阿秒電子脈衝，捕捉固定狀態的電子。
新原子顯微鏡由兩部分組成，見首圖，研究人員將強大雷射分裂為 1 個高速電子脈衝與 2 個超短光脈衝，後兩者負責啟動、精確控制研究樣品中的電子運動：第 1 個光脈衝輸送能量至樣品，使電子移動或經歷快速變化，第 2 個脈衝則像一個短暫時間窗口的閘門，在此期間產生 1 個阿秒電子脈衝，也因此，第 2 個脈衝的速度決定了所得影像解析度。
透過仔細同步 2 個光脈衝，研究人員可以控制電子脈衝何時探測樣品，以觀察原子內部各種超快運動過程，根據報告，新型顯微鏡每 625 阿秒就能捕捉一張石墨烯片中電子的影像，速度約現有技術 1,000 倍。
串聯各張圖像製成定格動畫，可以展示電子如何在分子中移動，進一步促進我們理解電子行為、電子運動背後的量子物理學。
新論文發表在《Science Advances》期刊。
- Freeze-frame: Researchers develop world’s fastest microscope that can see electrons in motion
- ‘World’s fastest’ microscope captures electron motion in striking detail
- World’s fastest microscope can see electrons moving
（首圖來源：亞利桑那大學）
科技新報粉絲團
加入好友
訂閱免費電子報
