利用阿秒级超短脉冲可对运动中的电子成像（示意图）。
图片来源：美国科学促进会网站
科技日报北京8月21日电 （记者张梦然）电子的运动速度极快，一秒钟内就能绕地球好几圈。美国亚利桑那大学团队开发出一款世界上最快的阿秒显微镜，能做到抓拍运动电子的定格图像。该显微镜将为物理学、化学、生物工程、材料科学等领域带来突破。研究成果发表在最新一期《科学进展》杂志上。
透射电子显微镜可将物体放大到实际尺寸的数百万倍。这种显微镜不使用可见光，而是将电子束引导穿过研究样本。电子与样本之间的相互作用被镜头捕捉，并由相机传感器检测，以生成样本的详细图像。
利用这些原理的超快电子显微镜，使用激光产生脉冲电子束。这种技术大大提高了显微镜的时间分辨率，即测量和观察样本随时间变化的能力。在这些超快显微镜中，透射电子显微镜的分辨率不是依靠相机快门速度来决定，而是由电子脉冲的持续时间决定。
为了看到定格的电子，研究团队首次生成了1阿秒的电子脉冲，其速度与电子移动速度一样快，从而提高了显微镜的时间分辨率，就像高速摄像机捕捉到原本不可见的运动一样。
在新显微镜中，强大的激光被分裂并转换成两部分，一个非常快的电子脉冲和两个超短的光脉冲。第一个光脉冲称为泵浦脉冲，它将能量输送到样品中，使电子移动或发生其他快速变化；第二个光脉冲称为光门控脉冲，它的作用类似于门，通过创建一个短暂的时间窗口来生成门控的单个阿秒电子脉冲。因此，门控脉冲的速度决定了图像的分辨率。通过仔细同步这两个脉冲，团队可控制电子脉冲对样品的探测，从而首次使用显微镜拍到运动中的电子。
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想象一下，有一台功能极其强大的相机，它可给运动中的电子抓拍定格照片，那将给微观研究领域带来多么大的助力！不过，电子运动都发生在阿秒级范畴，想要实现抓拍，必须突破现有显微镜技术。本文的研究团队成功让电子透射显微镜获得了阿秒级时间分辨率，这是完成抓拍的最关键技术点。凭借此技术，人们将能看到此前光学显微镜无法捕捉的神奇画面。