研究展示了世界上最快的电子显微镜之一的运行情况

阿秒场循环对比电子显微镜。资料来源：《自然》（2023）。DOI: 10.1038/s41586-023-06074-9

电子显微镜使我们能够洞察材料的最微小的细节，并且能够以原子分辨率观察到例如固体、分子或纳米粒子的结构。然而，自然界中的大多数材料都不是静态的。它们在初始和最终构型之间不断互动、移动和重塑。

最普遍的现象之一是光和物质之间的互动，这在太阳能电池、显示器或激光器等材料中无处不在。这些相互作用是由电子被光的振荡推来拉去所决定的，其动态非常快：光波的振荡速度为attoseconds，即十亿分之一秒的时间。

到目前为止，直接将这些极快的过程在空间和时间上可视化是非常困难的，但这正是康斯坦茨大学的一个物理学家团队现在成功做到的。他们在透射电子显微镜中记录了具有阿秒级时间分辨率的影片，为了解纳米材料和介电元原子的功能提供了新的视角。他们最近在《自然》杂志上发表了他们的成果。

超短电子脉冲的产生
"康斯坦茨大学物理学教授兼光与物质小组负责人彼得-鲍姆解释说："如果你仔细观察，光学、纳米光子学或超材料中的几乎所有现象都发生在低于光波一个振荡周期的时间尺度上。

"为了拍摄光和物质之间的超快相互作用，我们因此需要attoseconds的时间分辨率。" 为了实现这样一个极端的记录速度，鲍姆的研究小组利用连续波激光器的快速振荡，将电子显微镜的电子束转换成一连串的超短电子脉冲。

在这个过程中，一层薄薄的硅膜对电子产生了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，它们转化为一列超短脉冲，"该研究的博士生和第一作者David Nabben解释说。

另一个激光波产生了与样本物体的互动。然后，超短电子脉冲被用来测量物体对激光的反应，像在频闪仪中一样被冻结在时间中。最后，研究人员获得了具有阿秒级时间分辨率的过程的电影。

对纳米光子现象的调查
在他们的研究中，科学家们提出了几个在纳米材料中进行时间分辨测量的例子。例如，这些实验显示了手性表面波的出现，研究人员可以控制其在特定的空间方向上传播，或者纳米天线的不同辐射模式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。

这些结果对于纳米光子学的进一步发展非常有趣，同时也证明了新的阿托秒电子显微镜的应用范围非常广泛。"Nabben说："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。