超快显微镜的工作原理类似于高清摄像机，适用于量子世界

时间：2021-09-26 13:52:02 来源：

分辨率达到极限：马克斯·普朗克固体研究所的研究人员使用超短激光脉冲（红色）和扫描隧道显微镜的组合，正在量子世界中拍摄过程。他们将激光闪光聚焦在显微镜尖端和样品表面之间的微小缝隙上，从而解决了电子（蓝色）克服尖端和样品之间的缝隙的隧穿过程。以这种方式，当他们以诸如原子空间分辨率的电子波包（彩色波）等量子过程成像时，它们实现了数百阿秒的时间分辨率。

现在，可以以几百阿秒的分辨率拍摄低至单个原子的过程来拍摄微小电子元件内部或分子中发生的过程。

可以这么说，现在可以以高清画质拍摄用于未来计算机的组件的操作。斯图加特马克斯·普朗克固体研究所的研究人员Manish Garg和Klaus Kern开发了一种显微镜，用于在量子尺度上进行的极其快速的过程。这种显微镜-一种用于量子世界的高清摄像机-可以精确跟踪电子运动直至单个原子。因此，例如在开发极快和极小的电子组件时，它应该提供有用的见解。

即使是最有经验的物理学家，在量子世界中发生的过程也构成了挑战。例如，在计算机或智能手机日益强大的组件内部发生的事情不仅发生得非常快，而且发生在越来越小的空间中。例如，当要分析这些过程并优化晶体管时，电子视频将对物理学家大有裨益。为了实现这一目标，研究人员需要一个高速摄像头，该摄像头可以将这种“电子视频”的每一帧曝光几百个阿秒。一十亿分之一秒是十亿分之一秒的十分之一；在那个时候，光只能传播一个水分子的长度。多年来，物理学家已经使用长度足够短的激光脉冲作为阿秒照相机。

但是，在过去，一个亚秒级图像仅在本质上是模糊的背景下提供了电子快照。现在，得益于马克斯·普朗克固体研究所的所长克劳斯·科恩和科恩系科学家Manish Garg的工作，研究人员现在也可以精确地确定被膜电子位于单个原子下方的位置。

超短激光脉冲结合扫描隧道显微镜

为此，两位物理学家将超短激光脉冲与扫描隧道显微镜结合使用。后者通过用尖端理想地仅由单个原子组成的尖端扫描表面来实现原子级的分辨率。电子在尖端和表面之间隧穿-也就是说，即使实际上没有足够的能量，它们也可以穿过中间空间。由于这种隧穿过程的有效性在很大程度上取决于电子必须行进的距离，因此它可以用于测量尖端与样品之间的空间，因此甚至可以描绘表面上的单个原子和分子。然而，直到现在，扫描隧道显微镜还没有获得足够的时间分辨率来跟踪电子。

“通过结合使用扫描隧道显微镜和超快脉冲，可以轻松利用这两种方法的优势来弥补它们各自的劣势，” Manish Garg说。研究人员将这些极短的光脉冲发射到显微镜尖端（以原子精度定位），以触发隧穿过程。结果，这种用于量子世界的高速摄像机现在也可以实现高清分辨率。

为光波电子学铺平道路，速度要快几百万倍

利用新技术，物理学家现在可以精确地测量出电子在特定时间到单个原子的位置，精确度达到几百个阿秒。例如，它可以用于已被高能脉冲将电子弹射出的分子中，从而导致其余的负电荷载流子重新排列自身，并可能导致该分子与另一分子发生化学反应。“在分子中成膜电子，并且在其自然的时空尺度上生存，对于理解化学反应以及诸如电子或离子之类的带电粒子内光能的转化至关重要，”主任克劳斯·克恩（Klaus Kern）说在马克斯·普朗克固体研究所。

而且，该技术不仅使研究人员能够跟踪电子通过未来的处理器和芯片的路径，而且还可以大大提高电荷载流子的速度：“在当今的计算机中，电子以十亿赫兹的频率振荡，”克劳斯·科恩（Klaus Kern）说。“使用超短光脉冲，有可能将其频率提高到一万亿赫兹。”借助这种用于光波的涡轮增压器，研究人员可以为光波电子学扫清道路，后者比当前的计算机快几百万倍。因此，超快显微镜不仅可以拍摄量子世界中的过程，还可以通过干涉这些过程来充当导演。

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