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物理最新研究成果：终于突破光学显微镜限制，看到晶体原子中的电子


可见光光学显微镜使科学家能够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验室和马克斯·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 ， 已经开发出一种名为Piccope的新型光学显微镜 ， 克服了这一限制 ， 其研究成果发表在《自然》期刊上 。
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研究人员使用强大的激光闪光灯照射晶体材料薄膜 ， 这些激光脉冲驱动晶体电子进入快速摆动运动 ， 当电子从周围的电子反弹时 ， 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 。 这些实验为一类新的 ， 基于激光的显微镜铺平了道路 。
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这种显微镜可以让物理学家、化学家和材料科学家以前所未有的分辨率窥探微观世界的细节 ， 了解并最终控制材料的化学和电子特性 。 几十年来 ， 科学家们一直利用激光来了解微观世界的内部运作 。 这样的激光闪光 ， 现在可以跟踪固体内部的超快微观过程 。 尽管如此 ， 仍然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原因 。 可见光最高只能分辨出大小与其波长相称的物体 ， 波长大约是几百纳米 ， 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 。 为了克服这一限制 ， 研究人员走了一条不同的道路 ， 他们开发了一种可以用强大激光脉冲工作的显微镜 ， 还给设备起了个绰号叫“光皮镜” ， 强大的激光脉冲可以迫使晶体材料内部的电子 ， 成为它们周围空间的摄影师 。
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当激光脉冲穿透晶体内部时 ， 它可以抓住一个电子并驱动它快速摆动 。 当电子移动时 ， 它会感觉到周围的空间 ， 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 。 极限光子实验室的博士研究员Hee-yong Kim说：通过记录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)的能力和探测价电子的能力 ， 后者可以通过扫描隧道显微镜来实现 ， 但只能在表面上实现 。 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：有了一台能够探测价电子密度的显微镜 ， 我们可能很快就能对计算固态物理工具的性能进行基准测试 ， 可以优化现代、最先进的模型 ， 以更精细的细节预测材料的性质 。
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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发这项技术 ， 计划探测三维电子 ， 并进一步用包括二维和拓扑材料在内的广泛材料对该方法进行基准测试 。 由于激光微影技术可以很容易地与时间分辨激光技术相结合 ， 因此可能很快就会有可能记录材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标 。


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