電子顯微鏡中光與物質(zhì)的相互作用

在電子顯微鏡的幫助下，有可能深入了解材料的最微小的細(xì)節(jié)并對其進(jìn)行成像。然而，自然界中的大多數(shù)材料都不是一成不變的。

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它們在初始和最終構(gòu)型之間不斷地移動、互動和重塑。最常見的現(xiàn)象之一是光和物質(zhì)之間的互動，這在顯示器、太陽能電池或激光器等材料中無處不在。

這些相互作用是由電子被光的振蕩推來拉去而定義的，其動態(tài)非?？欤汗獠ǖ恼袷幩俣葹閍ttoseconds，即十億分之一秒。

到目前為止，直接將這些極其快速的過程在空間和時間上可視化是非常困難的，但這正是康斯坦茨大學(xué)的一組物理學(xué)家所成功做到的。

研究人員在透射電子顯微鏡中記錄了具有阿秒級時間分辨率的電影，從而為電介質(zhì)元原子和納米材料的功能提供了新的知識。

他們最近在科學(xué)雜志《自然》上報告了他們的研究結(jié)果。

超短電子脈沖的產(chǎn)生

如果你仔細(xì)觀察，光學(xué)、納米光子學(xué)或超材料中的幾乎所有現(xiàn)象都發(fā)生在低于一個光波振蕩周期的時間尺度上。因此，為了拍攝光和物質(zhì)之間的超快相互作用，我們需要阿托秒的時間分辨率。---康斯坦茨大學(xué)物理學(xué)教授兼光與物質(zhì)小組負(fù)責(zé)人彼得-鮑姆

為了實(shí)現(xiàn)這樣一個極端的記錄速度，鮑姆的研究小組利用連續(xù)波激光的快速振蕩，將電子顯微鏡的電子束轉(zhuǎn)變?yōu)橐贿B串的超短電子脈沖。

在這個過程中，一個薄薄的硅膜使電子的周期性加速和減速。

這種調(diào)制導(dǎo)致電子相互追趕。一段時間后，它們轉(zhuǎn)化為一列超短脈沖。---大衛(wèi)-納本，研究的第一作者，康斯坦茨大學(xué)的博士生

還有一個激光波幫助與樣品物體進(jìn)行互動。此外，超短電子脈沖被用來量化物體對激光的反應(yīng)，就像在頻閃儀中一樣，時間被凍結(jié)。最后，科學(xué)家們獲得了具有阿秒級時間分辨率的過程的電影。

納米光子現(xiàn)象的調(diào)查

在他們進(jìn)行的研究中，研究人員提出了許多在納米材料中進(jìn)行時間分辨測量的例子。

例如，這些實(shí)驗顯示了手性表面波的出現(xiàn)，這些表面波可以被科學(xué)家調(diào)節(jié)到特定的空間方向，或者納米天線的各種輻射模式之間的特征時間延遲。

此外，研究人員不僅檢查了這種表面現(xiàn)象，而且還拍攝了波導(dǎo)材料內(nèi)的電磁過程。

所取得的成果對納米光子學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展非常有吸引力，同時也說明了新的阿托秒電子顯微鏡的高度廣泛的應(yīng)用范圍。

直接測量材料的電磁功能作為空間和時間的函數(shù)，不僅對基礎(chǔ)科學(xué)具有重要價值，而且也為光子集成電路或超材料的新發(fā)展開辟了道路。--David Nabben，研究第一作者，康斯坦茨大學(xué)的博士生

參考資料：Nabben, D., et al. (2023) Attosecond electron microscopy of sub-cycle optical dynamics. Nature. doi.org/10.1038/s41586-023-06074-9.