电子显微镜已存在近一个世纪，但一项创纪录的现代改进终于实现了物理学家们期待了数十年的目标——首次，一台透射电子显微镜能够以如此高的清晰度捕捉电子，以至于可以看见其单个组成部分。研究人员认为，他们已经开启了一个全新的光学科学领域，他们称之为“阿秒显微学”，这将影响量子物理学、生物学和化学的世界。
这项突破来自亚利桑那大学专家领导的一个团队，并已于 8 月 21 日发表在《科学进展》杂志的新研究中。亚利桑那大学物理学和光学科学副教授 Mohammed Hassan 将透射电子显微镜比作智能手机的相机。
“当你拿到最新款智能手机时，它配备了更好的相机，”Hassan 在周三一份配套的大学声明中说道。“……通过这款显微镜，我们希望科学界能够理解电子行为和运动背后的量子物理学。”
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虽然第一代电子显微镜出现在 20 世纪 30 年代初（至今仍有关于谁发明了第一台的争议），自 2000 年代以来，科学家们一直依赖所谓的透射电子显微镜。在这些设备中，物体被放大数百万倍，远超光学显微镜的能力。这是因为它们依赖于发射到目标的电子激光束脉冲。然后，极其精确的相机传感器和镜头会成像这些通过样本的原子粒子。在这些图像之间观察到的主体变化被称为显微镜的时间分辨率。为了提高分辨率，研究人员转向加快激光脉冲速度，使其持续时间缩短至仅为十亿分之一秒的十亿分之一。
但即使是这样，问题仍然是“阿秒”（复数）。如果物理学家们希望捕捉一个被冻结在原地并详细解析其难以置信的快速亚原子反应和相互作用的单个电子，他们将需要一台能够发射单个阿秒脉冲的透射电子显微镜。为了实现这一目标，研究人员借鉴了2023 年诺贝尔物理学奖得主开创的工作，他们生成了第一个极紫外辐射脉冲，同样是以阿秒为单位测量的。有了这个基础，该团队终于达到了这一阿秒级基准。
为了做到这一点，研究人员开发并建造了一款新型显微镜，将激光分为单个电子脉冲和两个超短光脉冲。第一个光脉冲称为泵浦脉冲，为样品的电子提供能量。接下来，称为光学门控脉冲引发，在极短的时间内允许一个阿秒电子脉冲从显微镜发射出来。一旦两个超短光脉冲正确同步，操作员就可以控制电子脉冲的时间，以帮助以阿秒级时间分辨率捕捉原子事件。
“电子显微镜内部时间分辨率的提高早已被预期，并且是许多研究小组的关注点，”Hassan 周三表示。“……我们第一次能够看到电子运动中的部分。”
根据该研究的摘要，阿秒显微镜将使物理学家、光学科学家和其他专家能够以前所未有的细节研究电子运动，并“直接将其与物质在真实时间和空间域中的结构动力学联系起来”。他们表示，这有望为“量子物理学、化学和生物学中的现实世界阿秒科学应用”铺平道路。
