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。現(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。

    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。

    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(nèi)部運作。這樣的激光閃光，現(xiàn)在可以跟蹤固體內(nèi)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(nèi)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(nèi)部時，它可以抓住一個電子并驅(qū)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(qū)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(jié)合了窺視大部分物質(zhì)(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(zhì)。

    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(nèi)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(jié)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(zhì)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》

原文鏈接：《最新研究成果：終于突破光學顯微鏡限制，看到晶體原子中的電子！》

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