納米電子器件在量子區(qū)間運(yùn)行時(shí)需要在相干操縱和在原子尺度和時(shí)間跨度上的電子控制兩個(gè)條件下才能運(yùn)行。來自《Science》雜志的報(bào)道，采用相干控制電子在掃描隧道顯微鏡的隧道結(jié)進(jìn)行精確的調(diào)控兩個(gè)周期長(zhǎng)（時(shí)間小于6fs）的載波包絡(luò)相位。研究人員探測(cè)了光子、場(chǎng)驅(qū)動(dòng)隧道、兩個(gè)不同的光學(xué)脈沖的不同區(qū)域同隧道結(jié)的相互作用。顯示出存在兩個(gè)區(qū)域到另外一個(gè)區(qū)域的過渡區(qū)。研究結(jié)果顯示是有在可能在原子層面且在飛秒精度范圍實(shí)現(xiàn)誘導(dǎo)、追蹤和控制電子的電流，提供了一個(gè)發(fā)展兆赫茲相干納米電子學(xué)和顯微學(xué)的常規(guī)方法。

做出極端的解決方案，來自馬普研究所

    圖解：采用將超快激光脈沖（紅色）和掃描隧道顯微鏡相結(jié)合的手段，來自馬普固態(tài)研究所的研究人員正在開展一項(xiàng)對(duì)量子世界進(jìn)行拍攝過程的研究。他們利用激光照亮顯微鏡和樣品之間的微小間隙。此時(shí)電子（藍(lán)色）會(huì)克服樣品和尖端之間的鴻溝。通過這個(gè)方式，，當(dāng)獲取諸如電子波包（藍(lán)色的波形）在原子遲鈍的空間分布的影像時(shí)，他們獲得了一個(gè)在幾百阿秒的尺度范圍內(nèi)的暫時(shí)的解決方案。

基于量子光學(xué)發(fā)展的用來追蹤電子的顯微鏡拍攝電子運(yùn)動(dòng)的照片

    對(duì)于未來的電腦的運(yùn)行部件可以通過高質(zhì)量的影像進(jìn)行保存。來自馬普固態(tài)研究所的人員發(fā)展了一種顯微鏡可以實(shí)現(xiàn)極端快速的拍攝，如發(fā)生在量子尺寸的過程。這一顯微鏡，一種用于量子世界拍攝的高清攝像機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)電子在原子尺度的運(yùn)動(dòng)的精確追蹤。這一發(fā)現(xiàn)可以為人們提供一個(gè)有益的見解，進(jìn)而用來發(fā)展極端快速和極端小的電子部件。

光子驅(qū)動(dòng)到廣場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電子隧道的過渡圖

    發(fā)生在量子世界的過程即使是對(duì)非常有經(jīng)驗(yàn)的物理學(xué)家來說，其研究和觀察也是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。如，對(duì)于功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)，其不斷增加的強(qiáng)大的處理功能的器件，不僅會(huì)發(fā)生極端快速的處理速度，同時(shí)還發(fā)生在一個(gè)極端小的空間范圍內(nèi)。當(dāng)面對(duì)需要對(duì)其進(jìn)行分析和優(yōu)化其晶體管的時(shí)候，如果能夠采用拍攝的電子的高清視頻來觀察，對(duì)物理學(xué)家來說 是一個(gè)非常有益的幫助。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，研究人員需要一個(gè)高速相機(jī)并將其暴露在幾阿秒的電子視頻的范圍內(nèi)。一阿秒是十億分之一秒，在這個(gè)時(shí)間尺度范圍內(nèi)，光僅僅會(huì)傳輸?shù)剿肿哟笮〉木嚯x。在多少年以來，物理學(xué)家使用激光脈沖來實(shí)現(xiàn)了足夠的短脈沖的阿秒相機(jī)。

價(jià)電子運(yùn)動(dòng)的時(shí)空成像

    在以前，使用阿秒相機(jī)，以阿秒智能對(duì) 電子進(jìn)行快照拍照，現(xiàn)在，由于馬普研究所的功勞，可以識(shí)別出電子的精確位置。

超快激光脈沖和掃描隧道顯微鏡的結(jié)合

    為了實(shí)現(xiàn)超快速度和極小空間的電子的拍攝，物理學(xué)家使用超短激光脈沖并結(jié)合掃描隧道顯微鏡實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。掃描隧道顯微鏡可以通過掃描一個(gè)原子尺度大小的樣品的尖端表面實(shí)現(xiàn)原子尺度的觀察。將激光脈沖和掃描隧道顯微鏡結(jié)合在一起，就可以非常方便的發(fā)揮出兩者的優(yōu)點(diǎn)，并同時(shí)克服了各自的缺點(diǎn)。研究人員在顯微鏡的尖端點(diǎn)燃極端短的激光脈沖，從而對(duì)原子的位置進(jìn)行精確定位，由此觸發(fā)隧道掃描過程。結(jié)果顯而易見，用于量子世界觀察的高速相機(jī)誕生了，且可以獲得高清的效果。

    這一技術(shù)的問世為光波電子學(xué)的發(fā)展鋪平了道路，光波電子學(xué)的時(shí)間為阿秒的數(shù)百萬次倍的速度。

利用激光產(chǎn)生的超快脈沖

    據(jù)報(bào)道，在2017年來自倫堡愛爾蘭根亞歷山大大學(xué)（FAU）的物理學(xué)家研究了一種可以產(chǎn)生超短脈沖激光的激光設(shè)備，從此人類進(jìn)行可以采用電子顯微鏡在超快尺度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的原子的觀察。

參考文獻(xiàn)：

Kübel, M., Dube, Z., Naumov, A.Y. et al. Spatiotemporal imaging of valence electron motion. Nat Commun 10, 1042 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-09036-w、Ludwig Maximilian University of Munich、University of Erlangen-Nuremberg

Kozák, M., McNeur, J., Leedle, K. et al. Optical gating and streaking of free electrons with sub-optical cycle precision. Nat Commun 8, 14342 (2017). https://doi.org/10.1038/ncomms14342

文章來源：

M. Garg et al, Attosecond coherent manipulation of electrons in tunneling microscopy, Science (2019). DOI: 10.1126/science.aaz1098

原文鏈接：《德科學(xué)家利用激光和STEM研制出拍攝量子世界的超快顯微鏡》

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