IT之家 8 月 22 日消息，美國亞利桑那大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種新型透射電子顯微鏡，其速度是如此之快，以至于可以實現(xiàn)對運(yùn)動電子的觀察。
IT之家注意到，這項研究成果于 8 月 21 日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。研究人員希望通過這種新型顯微鏡對微觀粒子進(jìn)行深入研究，以揭示電子運(yùn)動的奧秘。
電子以每秒約 2200 公里的速度運(yùn)動，可以在 18.4 秒內(nèi)繞地球一周。因此，要捕捉電子的運(yùn)動軌跡，需要極高的拍攝速度。研究人員通過生成僅持續(xù)一阿秒（10 的負(fù) 18 次方秒）的電子脈沖，實現(xiàn)了這一目標(biāo)。
研究團(tuán)隊表示，這種新型顯微鏡就像智能手機(jī)上的高性能相機(jī)，能夠幫助科學(xué)家們觀察以前無法看到的現(xiàn)象，如電子的運(yùn)動。通過這種顯微鏡，科學(xué)家們有望更好地理解電子的量子物理特性以及其運(yùn)動規(guī)律。
電子的排列和重排是物理學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域的基本問題，但由于電子的運(yùn)動速度極快，對其進(jìn)行研究非常困難。在 21 世紀(jì)初，物理學(xué)家開發(fā)了生成阿秒級脈沖的方法，為研究電子的運(yùn)動提供了新的工具。這一成果獲得了 2023 年諾貝爾物理學(xué)獎。
通過將顯微鏡的曝光時間縮短到幾個阿秒的水平，物理學(xué)家們已經(jīng)研究了電子的電荷傳遞、在半導(dǎo)體和液態(tài)水中的行為以及原子之間化學(xué)鍵的斷裂過程。然而，即使是阿秒級的曝光時間對于捕捉單個電子的運(yùn)動仍然不夠快。
為了解決這個問題，研究人員對電子槍進(jìn)行了改進(jìn)，使其能夠產(chǎn)生僅持續(xù)一阿秒的電子脈沖。這些脈沖照射到被研究的樣品上，當(dāng)電子穿過樣品時，它們的運(yùn)動速度會減慢，并改變電子束波前的形狀。減速后的電子束隨后被透鏡放大，并照射到一種熒光材料上，該材料在電子束照射時會發(fā)光。
通過將電子脈沖與兩個精確同步的光脈沖結(jié)合（分別用于將材料中的電子激發(fā)成運(yùn)動狀態(tài)和輔助電子脈沖的產(chǎn)生），研究人員能夠探測原子內(nèi)部電子的超快運(yùn)動。
研究團(tuán)隊表示他們的透射顯微鏡已經(jīng)實現(xiàn)了阿秒時間分辨率，并將其稱為“原子顯微鏡”，這是首次能夠觀察到電子的運(yùn)動軌跡。
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