可見光光學顯微鏡使科學家能夠看到活細胞等微小物體。然而，可見光顯微鏡不能辨別電子是如何在固體中的原子間分布?，F(xiàn)在，羅斯托克大學極端光子實驗室和馬克斯·普朗克量子光學研究所的Eleftherios Goulielmakis教授，

以及來自我們中國中科院物理研究所的同事，已經(jīng)開發(fā)出一種名為Piccope的新型光學顯微鏡，克服了這一限制，其研究成果發(fā)表在《自然》期刊上。

研究人員使用強大的激光閃光燈照射晶體材料薄膜，這些激光脈沖驅動晶體電子進入快速擺動運動，當電子從周圍的電子反彈時，它們在光譜的極端紫外線部分發(fā)射輻射。通過分析這種輻射的特性，研究人員合成了一些圖片，說明了電子云是如何在固體晶格中的原子中分布，分辨率為幾十皮米，也就是十億分之一毫米。這些實驗為一類新的，基于激光的顯微鏡鋪平了道路。

這種顯微鏡可以讓物理學家、化學家和材料科學家以前所未有的分辨率窺探微觀世界的細節(jié)，了解并最終控制材料的化學和電子特性。幾十年來，科學家們一直利用激光來了解微觀世界的內部運作。這樣的激光閃光，現(xiàn)在可以跟蹤固體內部的超快微觀過程。盡管如此，仍然不能在空間上分解電子，也就是說，不能看到電子如何占據(jù)晶體中原子之間的微小空間，或者它們是如何形成將原子聯(lián)系在一起的化學鍵。

阿貝極限

恩斯特·阿貝(Ernst Abbe)在一個多世紀前就發(fā)現(xiàn)了原因。可見光最高只能分辨出大小與其波長相稱的物體，波長大約是幾百納米，也就是阿貝極限。但要看到電子，顯微鏡必須將其放大倍數(shù)提高幾千倍。為了克服這一限制，研究人員走了一條不同的道路，他們開發(fā)了一種可以用強大激光脈沖工作的顯微鏡，還給設備起了個綽號叫“光皮鏡”，強大的激光脈沖可以迫使晶體材料內部的電子，成為它們周圍空間的攝影師。

當激光脈沖穿透晶體內部時，它可以抓住一個電子并驅動它快速擺動。當電子移動時，它會感覺到周圍的空間，就像人在車里感覺到崎嶇的路面一樣。當激光驅動的電子穿過其他電子或原子造成的凸起時，它會減速，并以比激光器高得多的頻率發(fā)射輻射。極限光子實驗室的博士研究員Hee-yong Kim說：通過記錄和分析這種輻射的特性，可以推斷出這些微小凸起的形狀，可以畫出顯示晶體中電子密度高或低的圖片。

激光畢氏顯微鏡結合了窺視大部分物質(如X射線)的能力和探測價電子的能力，后者可以通過掃描隧道顯微鏡來實現(xiàn)，但只能在表面上實現(xiàn)。來自北京中科院物理研究所的理論固態(tài)物理學家孟勝（音譯），是研究研究團隊中的一名理論固態(tài)物理學家，他說：有了一臺能夠探測價電子密度的顯微鏡，我們可能很快就能對計算固態(tài)物理工具的性能進行基準測試，可以優(yōu)化現(xiàn)代、最先進的模型，以更精細的細節(jié)預測材料的性質。

這是激光微電子顯微鏡帶來的一個令人興奮的方面，現(xiàn)在，研究人員正在進一步開發(fā)這項技術，計劃探測三維電子，并進一步用包括二維和拓撲材料在內的廣泛材料對該方法進行基準測試。由于激光微影技術可以很容易地與時間分辨激光技術相結合，因此可能很快就會有可能記錄材料中電子的真實影像，這是超快科學和物質顯微鏡中長期尋求的目標。

博科園｜研究/來自：羅斯托克大學/中國科學院物理研究所

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-020-2429-z

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