阿秒电子显微镜研究取得新进展

电子显微镜为人们提供了深入观察物质微小细节的途径，例如材料的原子排列，蛋白质的结构，以及病毒粒子的形状等。然而，自然界中大多数材料并非静止，而是彼此之间相互作用，时刻都在运动、重组。最常见的例子之一就是光与物质的相互作用，这种相互作用在植物、光学元件、太阳能电池、显示器以及激光中都普遍存在。这种相互作用由围绕光场周期移动的电子定义，发生在飞秒（十的负十五次方秒）甚至阿秒（十的负十八次方秒）量级上。尽管超快电子显微镜技术可以观测飞秒量级上某些过程，然而直到近日，电子显微镜技术仍未实现阿秒量级上光与物质相互作用的观测。

近日，来自康斯坦茨大学和德国慕尼黑大学的一组科学家们成功将透射电子显微镜和连续激光器相结合，制造出一台阿秒电子显微镜的原型（Attosecond Transmission Electron Microscope, A-TEM）。此项研究结果发表在最新一期的Science Advances上。

图1 （左）阿秒透射电子显微镜；（右）连续激光（红色）与电子束（蓝色）在薄膜处发生相互作用，激光将电子调制成阿秒脉冲序列。（左图：德国慕尼黑大学Andrey Ryabov供图; 右图：康斯坦茨大学Mikhail Volkov供图）

调制电子束

“光学、纳米光子学以及超材料学中的基本现象都在阿秒量级上发生，比光波的一个周期还短。”本文的主要作者、康斯坦茨大学物理系光和物质课题组负责人的Peter Baum教授说。“因此，要想对光和物质之间的超快相互作用进行成像，时间分辨率需要低于光波一个振荡周期。”传统的透射电子显微镜使用连续电子束照射标本，进而成像。而Baum的团队则使用连续激光器的快速振荡对显微镜内的电子束进行调制，用电子束脉冲成像。

超短电子脉冲

这项研究的核心技术是一张薄膜，研究人员用它来破坏激光束光学周期的对称性，使得显微镜中的电子历经一系列快速加速、减速过程。“最终，电子显微镜中的电子束被转换成一系列超短电子脉冲，脉冲时间短于激光束光学周期的一半。” 本文的第一作者、博士后研究人员Andrey Ryabov说。从激光源中分束出的另一束激光，用于激发样品，使之发生光学变化；超短电子脉冲随后探测样品和样品对激光的响应。通过扫描两束激光之间的时间差，研究人员就能够以阿秒分辨率，捕获标本内部电磁动态变化的连续镜头。

技术修改简单，意义重大

“这项技术的主要优点是，可直接利用电子显微镜内已有的连续电子束，而不必增加新的电子源。这意味着每秒可以有100万倍以上的电子，基本上是光源的最大亮度。这样的优点对任何实际应用都是非常关键的。”Ryabov继续说道。另一个优点是所需的技术修改相当简单，不需要重新配置电子枪。

有了这项技术，在整个时空成像技术范围内实现阿秒分辨率将成为可能。比如时间分辨全息术、波形电子显微镜以及激光辅助电子光谱学等。从长远来看，阿秒电子显微镜将有助于揭示复杂材料和生物物质中光与物质相互作用的原子机制。

原文见：A. Ryabov, J. W. Thurner, D. Nabben, M. V. Tsarev, P. Baum, Attosecond metrology in a continuous-beam transmission electron microscope, Science Advances, 11 November 2020. DOI: 10.1126/sciadv.abb1393. URL: https://advances.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/sciadv.abb1393

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