最新研究成果:终于突破光学显微镜限制,看到晶体原子中的电子

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可见光光学显微镜使科学家可以大概看到活细胞等微小物体。然而,可见光显微镜不能辨别电子是如何在固体中的原子间分布。现在,罗斯托克大学极端光子实行室和马克斯·普朗克量子光学研究所的Eleftherios Goulielmakis教授,以及来自我们中国中科院物理研究所的同事,已经开辟出一种名为Piccope的新型光学显微镜,降服了这一限定,其研究结果发表在《自然》期刊上。

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研究人员使用强盛的激光闪光灯照射晶体质料薄膜,这些激光脉冲驱动晶体电子进入快速摆动活动,当电子从四周的电子反弹时,它们在光谱的极端紫外线部分发射辐射。通过分析这种辐射的特性,研究人员合成了一些图片,说明了电子云是如何在固体晶格中的原子中分布,分辨率为几十皮米,也就是十亿分之一毫米。这些实行为一类新的,基于激光的显微镜铺平了门路。

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这种显微镜可以让物理学家、化学家和质料科学家从前所未有的分辨率窥探微观天下的细节,相识并终极控制质料的化学和电子特性。几十年来,科学家们不停使用激光来相识微观天下的内部运作。这样的激光闪光,现在可以跟踪固体内部的超快微观过程。只管云云,仍旧不能在空间上分解电子,也就是说,不能看到电子如何占据晶体中原子之间的微小空间,或者它们是如何形成将原子联系在一起的化学键。

阿贝极限

恩斯特·阿贝(Ernst Abbe)在一个多世纪前就发现了缘故起因。可见光最高只能分辨出巨细与其波长相当的物体,波长约莫是几百纳米,也就是阿贝极限。但要看到电子,显微镜必须将其放大倍数提高几千倍。为了降服这一限定,研究人员走了一条差别的门路,他们开辟了一种可以用强盛激光脉冲工作的显微镜,还给设备起了个外号叫“光皮镜”,强盛的激光脉冲可以迫使晶体质料内部的电子,成为它们四周空间的摄影师。

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当激光脉冲穿透晶体内部时,它可以捉住一个电子并驱动它快速摆动。当电子移动时,它会感觉到四周的空间,就像人在车里感觉到崎岖的路面一样。当激光驱动的电子穿过其他电子或原子造成的凸起时,它会减速,并以比激光器高得多的频率发射辐射。极限光子实行室的博士研究员Hee-yong Kim说:通过记载和分析这种辐射的特性,可以推断出这些微小凸起的形状,可以画出显示晶体中电子密度高或低的图片。

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激光毕氏显微镜结合了窥视大部分物质(如X射线)的本事和探测价电子的本事,后者可以通过扫描隧道显微镜来实现,但只能在外貌上实现。来自北京中科院物理研究所的理论固态物理学家孟胜(音译),是研究研究团队中的一名理论固态物理学家,他说:有了一台可以大概探测价电子密度的显微镜,我们大概很快就能对盘算固态物理工具的性能进行基准测试,可以优化现代、开始进的模子,以更精致的细节猜测质料的性质。

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这是激光微电子显微镜带来的一个令人兴奋的方面,现在,研究人员正在进一步开辟这项技能,计划探测三维电子,并进一步用包括二维和拓扑质料在内的广泛质料对该方法进行基准测试。由于激光微影技能可以很轻易地与时间分辨激光技能相结合,因此大概很快就会有大概记载质料中电子的真实影像,这是超快科学和物质显微镜中长期寻求的目的。

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博科园|研究/来自:罗斯托克大学/中国科学院物理研究所

参考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-020-2429-z

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来源:https://www.toutiao.com/a6844542202274644483/
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