实现阿秒时间分辨率的电子显微镜

康斯坦茨大学Peter Baum团队将透射电子显微镜的时间分辨率提升到了阿秒量级，并将材料内外的电磁近场解析为时空中的动态影像，为纳米材料和介电超原子的功能提供了新的见解。该结果表明了结合电子显微镜和阿秒激光科学，从空间和时间的基本维度来理解光与物质相互作用的价值，对进一步理解和控制纳米尺度下的光与物质相互作用有着重要意义。该成果于5月31日发表在《自然》杂志上。

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研究论文以《阿秒电子显微镜观察亚周期光学动力学(Attosecond electron microscopy of sub-cycle optical dynamics)》为题发表于《自然》杂志

光与物质之间的相互作用是自然界中最普遍的现象之一，其在太阳能电池、显示器或激光器等设备中无处不在。这些相互作用是由光的振荡推拉电子所定义的，而这种动力学过程非常快：光波在阿秒量级振荡，即一秒的一百亿亿分之一。一直以来，直接在时空中可视化这些极快的过程是非常困难的，但康斯坦茨大学的研究团队现在成功实现了这一目标。

阿秒场周期对比电子显微镜的原理示意图

“如果你仔细观察会发现，几乎所有光学、纳米光子学或超材料中的现象都发生在一个光波振荡周期以内的时间尺度上，”Peter Baum解释道，“为了记录光与物质之间的超快相互作用，我们需要阿秒级的时间分辨率。”为了实现如此快速的记录速度，研究团队利用连续波激光的快速振荡将电子显微镜中的电子束转换成了一系列超短电子脉冲。

在这个过程中，一张硅薄膜会周期性地加速和减速电子。论文的第一作者、博士生David Nabben解释说：“这种调制使得电子彼此追赶。一段时间后，这些电子会转化成一串超短脉冲。”

研究团队使用另一束激光与样品发生相互作用，然后利用这些超短电子脉冲来测量样品对激光的响应，就像频闪仪一样将其定格在时间中。最终，研究人员以阿秒级时间分辨率获得了这些相互作用过程的影片。

等离子体针尖的场动力学电近场为时间的函数

在该研究中，研究团队展示了数个纳米材料中时间分辨测量的例子。实验结果表明了材料中手性表面波的产生，且研究人员可以控制其在特定的空间方向上传播，以及显示了来自纳米天线的不同辐射模式之间的特征时间延迟。该团队不仅研究了这些表面现象，还记录了波导材料内部的电磁过程，这些结果对纳米光子学的进一步发展非常有意义。同时也展示了新的阿秒电子显微镜的广泛应用范围。

Nabben表示：“直接测量材料的电磁功能对于空间和时间的函数关系，不仅具有重要的基础科学价值，而且为光子集成电路或超材料的新发展开辟了道路。”

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06074-9

报道链接：

https://phys.org/news/2023-05-world-fastest-electron-microscopes-action.html