電子顯微鏡可以讓我們深入了解材料的最微小細節，並可以以原子解析度可視化固體、分子或納米顆粒的結構。然而，自然界中的大多數材料都不是靜止的。它們在初始配置和最終配置之間不斷交互、移動和重塑。最普遍的現象之一是光和物質之間的相互作用，這種相互作用在太陽能電池、顯示器或雷射器等材料中無處不在。這些相互作用是由光振盪推動和拉動的電子定義的，並且動力學非常快：光波以阿秒振盪，即十億分之一秒的十億分之一。
到目前為止，很難直接將這些極快的空間和時間過程可視化，但這正是康斯坦茨大學的一組物理學家現在所取得的成功。他們在透射電子中記錄了阿秒時間解析度的電子顯微鏡，提供了對納米材料和電介質元原子功能的新見解。他們最近在科學雜誌《自然》上發表了他們的研究結果。
超短電子脈衝的產生
康斯坦茨大學物理學教授兼光與物質小組負責人Peter Baum解釋道：「如果你仔細觀察，光學、納米光子學或超材料中幾乎所有的現象都發生在低於光波一個振盪周期的時間尺度上。為了拍攝光和物質之間的超快相互作用，我們需要阿秒的時間解析度。」為了達到如此極端的記錄速度，鮑姆的研究小組使用連續波雷射的快速振盪將電子顯微鏡的電子束轉換為超短電子脈衝序列。
在這個過程中，薄矽膜會產生電子的周期性加速和減速。該研究的第一作者、博士生David Nabben解釋道：「這種調製會導致電子相互追趕。一段時間後，它們會轉換成一列超短脈衝」。另一個雷射波產生與樣品物體的相互作用。然後使用超短電子脈衝測量物體對雷射的響應，像在頻閃儀中一樣及時凍結。最終，研究人員獲得了阿秒時間解析度的過程影片。
納米光子現象的研究
在他們的研究中，科學家們展示了納米材料中時間分辨測量的幾個例子。例如，實驗表明，研究人員可以控制手性表面波在特定空間方向上傳播的出現，或者納米天線不同輻射模式之間的特徵時間延遲。更重要的是，科學家們不僅研究了這種表面現象，還拍攝了波導材料內部的電磁過程。
這些結果對納米光子學的進一步發展非常有趣，但也證明了新型阿秒電子顯微鏡的廣泛應用範圍。Nabben總結了研究結果的影響：「直接測量材料的電磁功能作為空間和時間的函數，不僅對基礎科學具有重要價值，而且為光子集成電路或超材料的新發展開闢了道路」。
這項研究於5月31日發表在《自然》雜誌上。
DOI：10.1038/s41586-023-06074-9