传统的光学显微镜因为受制于光波的衍射，其分辨率最高只能达到200纳米左右， 所以波长更小的电子显微镜于1931年应运而生。电子作为基本粒子之一，其德布罗意波长和周期很小，可以达到埃米（1Å=10-10m）和阿秒（1as=10-18s）尺度。例如，当电子速度v=0.1c时，其德布罗意波长λ=0.2Å，T=1×10-19s，这使其成为研究光与物质在微观尺度上相互作用的理想工具。
然而，尽管目前电子显微镜的空间分辨率已经能够达到埃米级别，但是其时间分辨率最高只能达到飞秒（1fs=10-15s）级别，这不仅远远没有达到电子显微镜成像分辨率的物理极限，而且对于记录与光周期尺度上的基本材料响应是不够的。
在此背景下，近日来自德国康斯坦茨大学的Peter Baum教授和Andrey Ryabov教授领导的研究团队在Nature上以“Attosecond electron microscopy of sub-cycle optical dynamics”为题发表重磅文章，首次将透射电子显微镜的时间分辨率推进到阿秒尺度。
如图1所示，研究人员使用连续波激光调制电子波函数，使其成为一系列快速的电子脉冲，对纳米结构针尖、介质谐振器和超材料天线进行了阿秒级分辨率的动力学观测。这些结果将电子显微镜与阿秒激光科学相结合，从而能够以阿秒级时间分辨率观察和记录光与物质相互作用的动态行为，可以从时空的基本尺度角度理解光与物质之间的相互作用。此外，电子的自由空间色散效应也为阿秒级物质波控制提供了可能，大大拓展了显微镜的功能和应用领域。
图1：阿秒电子显微镜原理
图源：Nat. Photon. (2023)
文章中，研究人员使用具有Schottky场发射器、电子能量为183 keV的电子显微镜进行实验。同时，研究人员使用波长为λ = 1,064 nm，周期为3.6 fs的连续波激光来激发待研究的材料。实验中，激光光束通过周期性加速和减速自由电子波函数，将电子束通过光学电场调制为飞秒数量级的超短电子脉冲序列。
由于电子波函数在时间上持续存在超过一个光学周期的周期，因此可以在能量域中获得相干的旁系带。在样品材料处，电子脉冲的速度约为0.67 c，可以覆盖大约200 nm的阿秒时间内的距离；因此，材料内外的电磁近场可以近似认为在时间上几乎不变。
利用能量滤波器的帮助，研究人员可以观测到样品附近的时空近场响应的时空动力学演化过程。通过这种方式，研究人员扩展了电子显微镜测量光学近场强度及其在复杂材料周围的干涉图案的能力，揭示了时空中的基础电磁场振荡。
文章中，研究人员将这一阿秒电子显微镜对纳米光子学中的一些典型电磁近场现象，如纳米结构针尖（图2）、介质谐振器（图3）和超材料天线（图4）等，进行了实时观测成像。
图源：Nature 619, 63–67 (2023)
图源：Nature 619, 63–67 (2023)
图4：纳米光学超原子（meta-atom）的动力学演化
图源：Nature 619, 63–67 (2023)
文章对包括针尖表面电子能量变化、等离激元表面波和平面波之间的干涉动态，以及介质纳米谐振器时空响应的成像实验，观测到了手性表面波的定向发射、偶极子和四极子动力学之间的延迟、亚光速波导场和对称破缺的多天线响应等一系列传统电子显微镜观测不到的物理现象，表明这一阿秒级电子显微镜对于加深人们对光与物质相互作用的理解，推动纳米光子学、波前控制领域的进一步发展具有重要价值。
同时，这些实验证明了阿秒级电子显微镜能够以基本的空间和时间尺度可视化复杂材料中光与物质相互作用的动态过程。通过电子在光场中的洛伦兹力，电子提供了对电磁场的直接和线性敏感性，而电子的静止质量产生了用于阿秒级物质波控制的自由空间色散效应。从原理上讲，电子的德布罗意波长限制了空间和时间分辨率，而束流亮度限制了灵敏度。而且这种测量方法是非侵入性的，无需在样品附近使用额外的散射或传感器。
此外，当显微镜偏离完美成像条件时，例如通过聚焦，可以观察到横向电场和磁场通过菲涅尔条纹的时间依赖变化。而且，基于单个电子的统计光场周期对比测量，有潜力揭示场的涨落和时空相关性，从而获取关于量子物体周围或纳米和阿秒级尺度上的热辐射体周围的无序或非经典光波特性的信息，这在量子信息领域具有重要价值。
这一全新的阿秒级电子显微镜在多个领域具有广泛的应用前景。
首先，阿秒级电子显微镜在材料科学中具有重要意义。通过直接测量自然和人造材料的电磁功能与空间和时间的关系，阿秒级电子显微镜为我们深入理解光与物质相互作用的基本机制提供了宝贵的信息。在近场光学、被动和主动变形材料、光子集成电路、光周期光化学以及自由电子腔光学等领域，阿秒级电子显微镜的应用有望推动这些领域向新的应用和发展方向迈进。
其次，阿秒级电子显微镜在生命科学和化学领域也具备巨大的潜力。通过观察和记录生物体内部的光与物质相互作用过程，我们可以深入了解光对于生物体结构和功能的影响。此外，在化学反应的研究中，阿秒级电子显微镜能够帮助我们揭示分子层面上的动态变化，从而促进化学反应的优化和控制。
总而言之，阿秒级电子显微镜作为一种新兴技术手段，其在科学研究和技术领域中的前景广阔。首先，由于阿秒级电子显微镜的空间和时间分辨率只受限于电子的德布罗意波长，因此我们可以预见，随着技术的不断发展，阿秒级电子显微镜的分辨率将不断提高，进一步揭示微观世界的奥秘。其次，阿秒级电子显微镜具备非侵入性测量的特点，无需在样品附近使用额外的散射或传感对象，这为显微镜的应用提供了更多的可能性和灵活性。通过不断推进阿秒级电子显微镜技术的发展，我们有望深入理解光与物质相互作用的本质，为未来的科学研究和技术创新提供更广阔的可能性。
论文信息
Nabben, D., Kuttruff, J., Stolz, L. et al. Attosecond electron microscopy of sub-cycle optical dynamics. Nature 619, 63–67 (2023).
Morimoto, Y. Attosecond movies of nano-optical fields. Nat. Photon. (2023).
https://doi.org/10.1038/s41566-023-01271-4
