Nature：世界上最快的电子显微镜

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Nature：世界上最快的电子显微镜

【字体：大中小】 时间：2023年06月06日 来源：AAAS

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　　康斯坦茨大学的研究人员首次成功地在电子显微镜下以阿秒的时间分辨率拍摄到了光与物质的相互作用。

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电子显微镜使我们能够深入了解材料的微小细节，并能以原子分辨率可视化固体、分子或纳米颗粒的结构。然而，自然界中的大多数物质都不是静态的。它们在初始和最终形态之间不断地相互作用、移动和重塑。最普遍的现象之一是光与物质之间的相互作用，这在太阳能电池、显示器或激光器等材料中无处不在。这些相互作用是由光的振荡推动和拉动电子来定义的，并且动力学非常快:光波以阿秒振荡，即十亿分之一秒的十亿分之一。

到目前为止，在空间和时间上直接可视化这些极快的过程是非常困难的，但这正是康斯坦茨大学的一组物理学家现在成功做到的。他们在透射电子显微镜下以阿秒的时间分辨率记录了电影，为纳米材料和介电元原子的功能提供了新的见解。他们最近在科学杂志《自然》上发表了他们的研究结果。

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“如果你仔细观察，几乎所有光学、纳米光子学或超材料中的现象都发生在光波振荡周期以下的时间尺度上，”康斯坦茨大学(University of Konstanz)物理学教授、光与物质小组负责人彼得·鲍姆(Peter Baum)解释说。“因此，为了拍摄光与物质之间的超快相互作用，我们需要一个阿秒的时间分辨率。”为了达到如此高的记录速度，Baum的研究小组利用连续波激光的快速振荡将电子显微镜的电子束转换成一系列超短电子脉冲。

在这个过程中，一层薄薄的硅膜使电子产生周期性的加速和减速。“这种调制导致电子相互追赶。一段时间后，它们会转换成一列超短脉冲，”该研究的第一作者、博士生大卫·纳本解释说。另一个激光波与样品物体产生相互作用。然后，超短电子脉冲被用来测量物体对激光的反应，就像在频闪镜中一样被冻结在时间里。最后，研究人员以阿秒时间分辨率获得了这一过程的视频。

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纳米光子现象的研究在他们的研究中，科学家们提出了几个纳米材料中时间分辨测量的例子。例如，实验表明，研究人员可以控制手性表面波的出现，使其在特定的空间方向上传播，或者纳米天线不同模式辐射之间的特征时间延迟。更重要的是，科学家们不仅研究了这种表面现象，而且还拍摄了波导材料内部的电磁过程。

这一结果对纳米光子学的进一步发展非常有趣，但也证明了新型阿秒电子显微镜的广泛应用范围。“直接测量材料的电磁功能作为空间和时间的函数不仅对基础科学具有重要价值，而且还为光子集成电路或超材料的新发展开辟了道路，”Nabben总结了结果的影响。