世界最快显微镜问世，首次观察到电子运动

8 月 22 日消息，美国亚利桑那大学的研究人员开发出一种新型透射电子显微镜，其速度是如此之快，以至于可以实现对运动电子的观察。

图源 Pexels

注意到，这项研究成果于 8 月 21 日发表在《科学进展》杂志上。研究人员希望通过这种新型显微镜对微观粒子进行深入研究，以揭示电子运动的奥秘。

电子以每秒约 2200 公里的速度运动，可以在 18.4 秒内绕地球一周。因此，要捕捉电子的运动轨迹，需要极高的拍摄速度。研究人员通过生成仅持续一阿秒（10 的负 18 次方秒）的电子脉冲，实现了这一目标。

研究团队表示，这种新型显微镜就像智能手机上的高性能相机，能够帮助科学家们观察以前无法看到的现象，如电子的运动。通过这种显微镜，科学家们有望更好地理解电子的量子物理特性以及其运动规律。

电子的排列和重排是物理学和化学领域的基本问题，但由于电子的运动速度极快，对其进行研究非常困难。在 21 世纪初，物理学家开发了生成阿秒级脉冲的方法，为研究电子的运动提供了新的工具。这一成果获得了 2023 年诺贝尔物理学奖。

通过将显微镜的曝光时间缩短到几个阿秒的水平，物理学家们已经研究了电子的电荷传递、在半导体和液态水中的行为以及原子之间化学键的断裂过程。然而，即使是阿秒级的曝光时间对于捕捉单个电子的运动仍然不够快。

为了解决这个问题，研究人员对电子枪进行了改进，使其能够产生仅持续一阿秒的电子脉冲。这些脉冲照射到被研究的样品上，当电子穿过样品时，它们的运动速度会减慢，并改变电子束波前的形状。减速后的电子束随后被透镜放大，并照射到一种荧光材料上，该材料在电子束照射时会发光。

通过将电子脉冲与两个精确同步的光脉冲结合（分别用于将材料中的电子激发成运动状态和辅助电子脉冲的产生），研究人员能够探测原子内部电子的超快运动。

研究团队表示他们的透射显微镜已经实现了阿秒时间分辨率，并将其称为“原子显微镜”，这是首次能够观察到电子的运动轨迹。

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