本文轉載自顯微觀點
穿透式電子顯微鏡（transmission electron microscope, TEM）的出世，將物體放大數百萬倍，讓科學家得幾看見小至 0.1 奈米的樣本結構。但是「看得小還要看得快」，若要看到電子的運動軌跡，還得快速捕捉才能看得清楚。
美國亞利桑那大學（University of Arizona）物理與光學系副教授哈山（Mohammed Th. Hassan）率領的研究團隊，日前開發了世界上最快的電子顯微鏡，小至 1 阿秒（attosecond）的解析度，能更精確地捕獲分子內的電子快速運動。
2023年諾貝爾物理學獎頒給法國物理學家皮耶．阿戈斯提尼（Pierre Agostini）、匈牙利/奧地利物理學家費倫茨．克勞斯（Ferenc Krausz）和法國/瑞典物理學家安妮．呂利耶（Anne L’Huillier），表彰他們「發展出產生阿秒光脈衝的實驗方法，得以研究物質中的電子動力學」。哈山團隊便是以此技術為基礎進行研究開發。
21 世紀初，首次出現了具有奈秒（nanosecond）解析度的電子顯微鏡，以對雷射誘導的鎳金屬熔化和鈷塊體的形態變化進行成像，在這之後許多研究工作都集中在提高電子顯微鏡的時間解析度。
2008 年，電子顯微鏡的時間解析度提高到亞皮秒，亦即比皮秒（picosecond）還要小的時間尺度，擴展了電子顯微鏡對更快的分子和原子運動進行成像的能力。而透過連續和脈衝雷射光束的閘控技術，可將時間解析度提高到亞飛秒的時間尺度，記錄數阿秒的平均動態影片。
但這樣的阿秒脈衝序列僅限於成像週期性動力學，對非週期性的運動，如電荷遷移、電子運動等須將探測限制為單一事件的研究，則需要產生（使用）單一阿秒電子脈衝。
哈山團隊開發的顯微鏡，使用雷射將電子束切割成兩個超短脈衝。第一個脈衝稱為泵浦脈衝（pump pulse），將能量注入樣品並導致電子移動或其他快速變化；第二個脈衝稱為光閘脈衝（optical gating pulse），創造一個短暫時間視窗，產生閘控的單一阿秒電子脈衝。仔細同步兩個脈衝，研究人員就可以控制電子脈衝何時探測樣品。
就像相機上的快門一樣，這些脈衝也使團隊能夠每 625 阿秒捕捉一張石墨烯片中電子的新影像，時間解析度大約是現有技術的一千倍。
團隊也提到許多實驗因素對於執行阿秒電子成像實驗至關重要，例如：雷射的高重複率，以閘控大量電子；以及雷射光束的高穩定性強度來實現顯微鏡中的低訊噪比等。
「當你獲得最新一代的智慧型手機時，通常配備更好的相機」，哈山表示新開發的穿透式電子顯微鏡就像最新智慧型手機搭載非常強大的相機。
「現在使用我們的電子透射顯微鏡首次能夠達到阿秒級的時間解析度，我們稱之為『阿秒顯微術』。這是第一次，我們可以看到電子在運動中的樣態」，哈山說道。
而新開發的電子顯微鏡可以即時拍攝、控制化學和生化反應，預期也將對材料合成、藥物設計和個人化醫療領域的研究產生助益。
時間的數量級
- 阿秒（as）：10-18 秒
- 飛秒（fs）：10-15 秒
- 皮秒（ps）：10-12 秒
- 奈秒（ns）：10-9 秒
- 微秒（µs）：10-6 秒
- 毫秒（ms）：10-3 秒
參考資料：
- Dandan Hui et al.Attosecond electron microscopy and diffraction.Sci. Adv.10,eadp5805(2024).
- Freeze-frame: U of A researchers develop microscope that can see electrons in motion
- The world’s fastest microscope makes its debut
