超快电子显微镜重新发明飞秒原子尺度成像

透射电子显微镜可能已经带来了一些最前沿的材料物理学研究，但该技术没有其限制。在他的研究中，日本大阪大学的金丰杨博士旨在通过加速它们产生的相对论速度的脉冲光束来进一步提高有史以来最强大的显微镜的能力。通过最近的几个实验，他和他的团队表明，他们更新的“超快电子显微镜”技术可以直接图像展开原子尺度过程。

物理学家一直在测量材料的性质多个世纪。对于大部分时间来说，这种研究涉及以各种方式操纵样品：从戳戳伸展，挤压和破碎。通过测量材料如何在这些实验中进行衡量来构建许多有用的物理法律，而是为了真正理解正在进行的内容，将需要更复杂的设备。

实际上，我们在宏观尺度上观察到的物质属性，是由各个原子之间发生的无数相互作用所产生的，其时间尺度快至千万亿分之一秒，或“飞秒”。“为了在如此复杂的尺度上研究过程，物理学家目前使用的是时间分辨透射电子显微镜(TEM)技术，它通过脉冲电子束穿过样品形成图像。”这项技术近年来取得了显著的进步，但在他们的研究中，杨博士和他的同事们打算进一步推进这项技术的能力。

TEM的内部工作
为了收集显微样品的图像，tem依赖于三个主要部件:电子枪、电容器系统和成像系统。在第一个部分中，来自加热的金属丝或冷场发射阴极的电子被直流电产生的强电场加速到一个孔状电极。如果两个电极之间的电压高度稳定，电子就会通过电极上的孔，完成“枪”组件。接下来，电子通过一系列聚光透镜，这些透镜利用磁场精确地控制光束的强度和对样品的照射角度。

经过样品后，改变后的电子束被一系列物镜放大许多倍，最终达到宏观尺度。最后，电子与一个设备相互作用，该设备将电子转换成可见光的光子，产生样品的最终图像。由于量子力学所描述的电子的波长远小于可见光的波长，透射电镜可以获得远高于传统光学显微镜的分辨率的3D图像，使研究人员能够直接获得单个原子和分子的图像。

杨博士的团队观察了具有3个MeV飞秒电子脉冲的UEM图像，并在低放大率观察下成功进行单次成像。

对飞秒原子级成像的挑战
到目前为止，这种设置已经允许研究人员研究小到单个原子的系统，但仍然存在重大限制。时间分辨透射电子显微镜的第一个主要缺点是它在单次发射实验中产生的电子束持续时间相对较长，这是用来在尽可能短的时间尺度上测量分子过程的。此外，样品内的光束多次散射也限制了该技术的空间分辨率。在他的研究中，杨博士提出这些问题都可以通过相对论电子束的使用来解决。与时间分辨透射电镜中使用的光束不同，这些电子的传播速度将大大低于光速;如此之快以至于爱因斯坦广义相对论所描述的效应变得相关。

“飞秒原子级成像是材料科学中最具挑战性的主题”，“杨博士解释道。“在我们的研究中，我们的目标是开发一种创新的相对论超快电子显微镜（UEM），具有10 FemtoSeconds（FS）和1埃的最终时间空间分辨率。然后，我们的目标是实时实现结构动态的可视化，以及原子尺度。“自2013年研究中阐述了这些目标以来，杨博士的团队对UEM器件的广泛实现进行了重大进展。

射频枪
电子枪是在其更新的设置中由团队寻址的第一个元素。在传统的TEM中，该部件由于其使用直流而受到限制，这限制了其可控性，以及高达200千克电源（KEV）的低能量。它们可以生产飞秒电子脉冲，但脉冲仅具有每个脉冲的相对低的电子数字 - 通常最大数千次 - 对于在飞秒时间尺度测量不可逆转过程所需的单次实验，这是最大的数千次。

为了解决这个问题，杨博士和他的同事开发了一个更新的电子枪，它使用无线电频率而不是直流加速电子。这种方法将梁对电场更强大，这意味着它们可以快速加速到UEM所需的相对论能量。“已经开发出射频（RF）加速的电子枪以成功地产生具有3MeV的能量的高电流飞秒脉冲电子束，并且杨博士总结了100个飞秒的脉冲持续时间。随着这一技术突破，研究人员然后能够继续实现目标的实际方面。

用UEM创建图像
为了在超快时间尺度上实现原子尺度结构的实际图像，研究人员开发了更先进的镜片，当与其改进的电子枪结合时，可以将电子束更好地集中在样品上。“使用RF枪，我们已经开发了世界上第一个相对论UEM的原型，”杨博士描述了。“我们成功地观察了具有3meV飞秒电子脉冲的金纳米颗粒和聚苯乙烯颗粒的UEM图像。在低倍率观察中，如在观察微晶的观察中，可以实现与相对论飞秒电子脉冲的单次成像。“

利用单次成像的这种先进功能，研究人员描述了如何使用UEM在从固体转变为液体或从液体转变为固体的材料中的不可逆过程。此外，它还提供前所未有的机会，以实时查看生物系统中各种分子的动态和化学反应。

电子衍射图案
原子或分子结构的直接图像不是UEM的唯一理想的结果。也许甚至更有迷人的物理性质可以通过本身的量子性质来聚集。由于电子是量子颗粒，因此它们可以描述为颗粒和波。这意味着当它们通过一个小差距时，它们会像宏观波一样衍射。当测量结晶样品时，弹性散射的电子以典型的衍射图贡献。衍射图案用于获得包括原子结构，取向关系和材料中的晶体缺陷的定量数据。

通过这种能力在这种短时间内获得衍射模式，该团队最终能够直接研究超快物理过程展开的方式。

由于这种效果，杨博士的团队能够使用UEM直接测量结晶材料的结构动态。“在我们超速电子衍射（UED）的研究中，我们成功地采购了单次和时间分辨实验的高质量高分辨率衍射模式，具有180 FS的出色时间分辨率，”杨博士描述。

通过这种能力在这种短时间内获得衍射模式，该团队最终能够直接研究超快物理过程展开的方式。“这种技术已成功使用以观察材料中各种光诱导的相变的超快动态，包括单晶金纳米丝中的照片激发熔化动力学，”杨博士继续。“这是通过用3MEV和90 FS电子脉冲的单次释放的测量获得的。”随着这些衍射实验的成功，杨博士的团队取得了重大进展，以实现2013年首次列出的目标。

推进材料物理学
他们的创新重新设计电子枪已经允许杨博士和他的同事们首次证明纳米级成像不需要受到时间解决温度的缺点的限制。通过将电子加速到相对论的速度，可以在原子空间尺度上获得衍射图案和样品的直接图像，并且在几乎不想到的短时间间。通过进一步的研究，相对论UEM的技术可能成为材料物理实验室的主食，允许将来的研究人员能够进行高度复杂的生物和化学系统的可靠测量。