德国康斯坦茨大学的科学家将超快电子显微镜的时间分辨率提高到了前所未有的水平。研究小组在《科学进展》杂志上发表了一篇论文，介绍了一种利用太赫兹光在透射电子显微镜内对电子脉冲进行全光控制、压缩和表征的方法。此外，研究人员还发现了两电子和三电子状态在时间域中存在显著的反相关性，从而为自由电子的量子物理提供了更深入的见解。

背景和挑战

超快电子显微镜是一种尖端技术，它将传统电子显微镜的空间分辨率与超快飞秒激光脉冲的时间分辨率相结合。这种强大的组合使研究人员能够观察运动中的原子和电子，以无与伦比的清晰度捕捉材料中的动态过程。通过在空间和时间上可视化这些快速事件，科学家可以更深入地了解控制材料特性和转变的基本机制，从而帮助推动纳米技术、光学、材料科学和量子物理等研究领域的进步。

虽然超快电子显微镜在理论上能够观察基本空间和时间尺度上的原子和电子运动，但由于电子脉冲持续时间的限制，捕捉这些快速动态仍然具有挑战性。目前标准电子脉冲持续时间约为 200 飞秒，太长，无法解析材料和分子中的许多基本反应过程。实时观察基本反应路径和集体原子运动(即所谓的声子模式)，则需要短十倍的脉冲。

超短电子脉冲的产生

现在，康斯坦茨团队引入了一种突破性的方法，将透射电子显微镜的时间分辨率从数百飞秒提高到数十飞秒。研究人员利用太赫兹光的单光周期在单周期激光的维度上操纵空间和时间中的电子脉冲。这种方法不仅保留了电子显微镜的空间分辨率，而且还将其时间分辨率提高到可以在基本尺度上可视化原子甚至电子运动的程度。

“超快电子显微镜的主要挑战之一是激光触发针尖超快光发射不可避免的能量带宽。由于非相对论电子在真空中静止质量的色散，这种能量带宽不可避免地会导致量子力学波包色散和脉冲随时间延长，”康斯坦茨大学光与物质小组负责人 Peter Baum 解释说。

该团队利用太赫兹脉冲的电场梯度来加速电子波函数的尾部并减速前部，从而克服了这一问题，导致样本中的脉冲被显著压缩。由于显微镜内部可用空间有限，该团队通过使用金属平行板波导来实现这种控制，以足够的空间均匀性和最小化像差产生必要的亚周期场-电子相互作用。

“我们方法的一个关键方面在于波导内产生的特殊电场和磁场。通过设计一个能够产生具有精确相位控制的驻波太赫兹波的波导，我们可以放大电场，同时消除不需要的磁场。这种配置允许电子脉冲加速和减速，而不会引入空间像差，”设计该实验的博士生 Joel Kuttruff 总结道。

利用这一想法，该团队成功将电子脉冲从 200 多飞秒压缩到 19 飞秒。这一进展将电子显微镜的时间分辨率提升到基本原子动力学和反应路径的领域。

Baum 表示：“即使时间分辨率得到增强，显微镜的空间分辨率也几乎不会受到影响。”在实验中，金纳米粒子和硅晶体的显微镜图像和衍射图样证明了这些清晰而精确的成像能力，目前，时间域的分辨率达到了前所未有的水平。

多电子态的关联

在首次应用其新功能时，研究人员测量了双电子和三电子状态，并发现了时间域中的显著负相关性，从而对多电子系统的相互作用和动态提供了更深入的了解。

“当一个电子提前到达时，另一个电子就会晚到，反之亦然，从而在两者之间形成明显的时间分离，”该团队的博士后研究员 David Nabben 解释道。“这种反相关性是自由空间传播过程中相互库仑力和波包散射的结果。”

在时间域中测量双电子或三电子及其相关性的能力对于增进我们对波动和噪声领域的量子力学的理解至关重要。

“通过精确控制和观察自由电子及其相互作用，我们为未来的研究奠定了基础，旨在以前所未有的细节研究电子配对和纠缠等基本量子现象，”鲍姆在描述这项工作的影响时说。“这种能力加上我们新颖的时间分辨率机制

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