阿秒電子顯微鏡——時空分辨率的極限挑戰(zhàn)

出品：科普中國

作者：海里的咸魚（中國科學(xué)院長春光機所光學(xué)碩士）

監(jiān)制：中國科普博覽

與阿秒相關(guān)的熱門話題，當(dāng)屬2023年的諾貝爾物理學(xué)獎頒發(fā)給了三位阿秒物理領(lǐng)域的實驗物理學(xué)家。秒在人類世界中已經(jīng)是非常短暫的存在，而阿秒更是人類難以感知的瞬時流逝。

阿秒之于人類，既難以感知，又難以捕捉，但它卻對物理、信息科學(xué)等多個研究領(lǐng)域都有著極其重要的意義。打開阿秒的大門，微觀世界的奇妙正在等著我們。

三位阿秒物理領(lǐng)域的實驗物理學(xué)家

（圖片來源：諾貝爾獎官網(wǎng)）

走進阿秒的世界

阿秒作為一個時間單位，1阿秒=10^-18秒，這是什么概念呢？一秒中之內(nèi)的阿秒數(shù)，和宇宙誕生以來的秒數(shù)相同。

（圖片來源：THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCES）

更具體地來說，一道光從一間尋常大小房間的一端傳播到另一端的墻上，這需要上百億阿秒。真空中，光在一阿秒內(nèi)能夠前進的距離大約是0.3納米。

一只小小的蜂鳥每秒能夠拍打翅膀80次，在人類眼睛看來，蜂鳥的翅膀則是一片模糊的影子。要想得到一張飛行中的蜂鳥翅膀照片，需要高速攝影以及速度與之相匹配的照明技術(shù)的支持。

同樣地，在微觀世界中，當(dāng)電子在原子之間移動時，它的位置和能量是以阿秒時間量級變化的。要想探查電子的運動狀態(tài)，給電子“拍視頻”，那這肯定離不開阿秒激光脈沖的助力。阿秒激光脈沖，就是持續(xù)時間在阿秒量級的一個閃光。

阿秒閃光產(chǎn)生的快照

（圖片來源：Max Planck Institute of Quantum Optics, Thorsten Naeser）

它的出現(xiàn)，推開了微觀世界的一道新大門，這意味著人們研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的能力上到了一個新的層面，基礎(chǔ)物理學(xué)的研究領(lǐng)域也因此掀起了一股新風(fēng)潮。

當(dāng)前，物理學(xué)大廈上空飄散著的烏云，阿秒脈沖或許會帶來一些轉(zhuǎn)機。

電子顯微鏡，突破光學(xué)顯微分辨極限

想要觀察到電子運動帶來的電磁場變化，不僅僅需要足夠快的閃光燈，還需要分辨率達到原子尺度的顯微鏡——透射電子顯微鏡。

電子顯微鏡能夠?qū)τ^察樣品的原子結(jié)構(gòu)進行成像。目前，最高分辨率的電子顯微鏡分辨率可以達到0.5埃（0.05納米）。

鎂樣品的高分辨率電子顯微鏡

（圖片來源：wikipedia）

早期，人們在利用常規(guī)光學(xué)系統(tǒng)進行觀測的過程中逐步發(fā)現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)的分辨率問題。

1834年，喬治·比德爾·艾里在用天文望遠鏡觀察天體時，發(fā)現(xiàn)了由于光的波動性而引起的衍射現(xiàn)象。1835年，他提出了艾里斑這種光學(xué)衍射極限對分辨率限制的概念。

1878年，克利夫蘭·阿貝指出光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)受到光波衍射的限制，給出了表示顯微鏡分辨本領(lǐng)極限的公式，指出顯微鏡的分辨能力受到光的波長限制。而目前的傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡，極限分辨率為幾百個納米。

為了突破光學(xué)顯微鏡的極限，人們在尋找高分辨率顯微鏡的努力中逐漸把注意力轉(zhuǎn)移到了真空中高速運動的電子上。

1924年，德布羅意提出了電子的波動性，這表明電子運動與光波有著深刻的相似性，為電子光學(xué)的建立和發(fā)展奠定了理論依據(jù)。

當(dāng)時，一眾物理學(xué)家正因為光的波粒二象性吵得不可開交，德布羅意這一理論的提出更是讓物理學(xué)界異常熱鬧。他本人也因發(fā)現(xiàn)了電子的波動性以及對量子理論的研究而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

高速運行的電子能夠被軸對稱的電場或磁場折射而聚焦，這說明利用電場或磁場能夠做成電子透鏡，好比玻璃能夠做成折射光的透鏡。

具備了充足理論基礎(chǔ)后，電子顯微鏡的誕生與發(fā)展便是水到渠成。

1931年，第一臺透射電子顯微鏡面世，它是利用陰極射線示波器改裝而來，所成的像放大倍率僅為13倍；1939年，首臺投放市場的商品電子顯微鏡被制造了出來，它的分辨率優(yōu)于10納米。

早期透射電子顯微鏡

（圖片來源：Wikipedia）

阿秒電子顯微鏡：敲開物理學(xué)新大門

“阿秒光脈沖+透射電子顯微鏡”，這樣的組合意味著電子的行蹤在阿秒電子顯微鏡的眼皮底下無處可藏！

（圖片來源：THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCES）

2023年，《自然》雜志上的一篇文章報告了利用阿秒電子顯微鏡觀測激光照射物體時，物體表面電子的運動過程。

（圖片來源：參考文獻[1]）

在這一實驗中，科學(xué)家利用阿秒激光脈沖，將電子束調(diào)制成為了一系列時間在阿秒量級的電子脈沖，脈沖沖擊樣本后所產(chǎn)生的各類信號，經(jīng)過能量過濾器去除噪聲后，記錄下電子運動所產(chǎn)生的電場照片，進而得知電子的運動狀態(tài)。

一系列這樣的照片疊加在一起，就得到了電子運動的“視頻”。

電子能量隨時間的變化圖像，1fs（飛秒）=1000as（阿秒）

（圖片來源：參考文獻[1]）

精密測量電子的運動，實現(xiàn)對其物理性質(zhì)的理解，進而控制原子內(nèi)電子的動力學(xué)行為是人們追求的重要科學(xué)目標(biāo)之一。有了阿秒脈沖，我們就能測量甚至操縱單個微觀粒子，進而對微觀世界，進行更基礎(chǔ)更具有原理性的觀察和描述。

結(jié)語

仰觀宇宙之大，俯察品類之盛。

縱觀自然科學(xué)的發(fā)展歷程，不難發(fā)現(xiàn)人類對于微觀世界的探索從未停歇。在技術(shù)飛速進步的今天，我們擁有了更多的手段與工具去開啟微觀世界的大門。盡管探索仍在路上，但微觀世界的熱鬧，終將被人們知曉。

參考文獻：

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