最新研究成果：終於突破光學顯微鏡限制，看到晶體原子中的電子
2020-07-02 博科園可見光光學顯微鏡使科學家能夠看到活細胞等微小物體。然而，可見光顯微鏡不能辨別電子是如何在固體中的原子間分布。現在，羅斯託克大學極端光子實驗室和馬克斯·普朗克量子光學研究所的Eleftherios Goulielmakis教授，以及來自我們中國中科院物理研究所的同事，已經開發出一種名為Piccope的新型光學顯微鏡，克服了這一限制，其研究成果發表在《自然》期刊上。
研究人員使用強大的雷射閃光燈照射晶體材料薄膜，這些雷射脈衝驅動晶體電子進入快速擺動運動，當電子從周圍的電子反彈時，它們在光譜的極端紫外線部分發射輻射。通過分析這種輻射的特性，研究人員合成了一些圖片，說明了電子云是如何在固體晶格中的原子中分布，解析度為幾十皮米，也就是十億分之一毫米。這些實驗為一類新的，基於雷射的顯微鏡鋪平了道路。
這種顯微鏡可以讓物理學家、化學家和材料科學家以前所未有的解析度窺探微觀世界的細節，了解並最終控制材料的化學和電子特性。幾十年來，科學家們一直利用雷射來了解微觀世界的內部運作。這樣的雷射閃光，現在可以跟蹤固體內部的超快微觀過程。儘管如此，仍然不能在空間上分解電子，也就是說，不能看到電子如何佔據晶體中原子之間的微小空間，或者它們是如何形成將原子聯繫在一起的化學鍵。
阿貝極限
恩斯特·阿貝(Ernst Abbe)在一個多世紀前就發現了原因。可見光最高只能分辨出大小與其波長相稱的物體，波長大約是幾百納米，也就是阿貝極限。但要看到電子，顯微鏡必須將其放大倍數提高几千倍。為了克服這一限制，研究人員走了一條不同的道路，他們開發了一種可以用強大雷射脈衝工作的顯微鏡，還給設備起了個綽號叫「光皮鏡」，強大的雷射脈衝可以迫使晶體材料內部的電子，成為它們周圍空間的攝影師。
當雷射脈衝穿透晶體內部時，它可以抓住一個電子並驅動它快速擺動。當電子移動時，它會感覺到周圍的空間，就像人在車裡感覺到崎嶇的路面一樣。當雷射驅動的電子穿過其他電子或原子造成的凸起時，它會減速，並以比雷射器高得多的頻率發射輻射。極限光子實驗室的博士研究員Hee-yong Kim說：通過記錄和分析這種輻射的特性，可以推斷出這些微小凸起的形狀，可以畫出顯示晶體中電子密度高或低的圖片。
雷射畢氏顯微鏡結合了窺視大部分物質(如X射線)的能力和探測價電子的能力，後者可以通過掃描隧道顯微鏡來實現，但只能在表面上實現。來自北京中科院物理研究所的理論固態物理學家孟勝（音譯），是研究研究團隊中的一名理論固態物理學家，他說：有了一臺能夠探測價電子密度的顯微鏡，我們可能很快就能對計算固態物理工具的性能進行基準測試，可以優化現代、最先進的模型，以更精細的細節預測材料的性質。
這是雷射微電子顯微鏡帶來的一個令人興奮的方面，現在，研究人員正在進一步開發這項技術，計劃探測三維電子，並進一步用包括二維和拓撲材料在內的廣泛材料對該方法進行基準測試。由於雷射微影技術可以很容易地與時間分辨雷射技術相結合，因此可能很快就會有可能記錄材料中電子的真實影像，這是超快科學和物質顯微鏡中長期尋求的目標。
博科園｜研究/來自：羅斯託克大學/中國科學院物理研究所
參考期刊《自然》
DOI: 10.1038/s41586-020-2429-z
博科園｜科學、科技、科研、科普
關注【博科園】看更多大美宇宙科學
相關焦點
-
最新研究成果:終於突破光學顯微鏡限制,看到晶體原子中的電子!
可見光光學顯微鏡使科學家能夠看到活細胞等微小物體。然而，可見光顯微鏡不能辨別電子是如何在固體中的原子間分布。現在，羅斯託克大學極端光子實驗室和馬克斯·普朗克量子光學研究所的Eleftherios Goulielmakis教授，以及來自我們中國中科院物理研究所的同事，已經開發出一種名為Piccope的新型光學顯微鏡，克服了這一限制，其研究成果發表在《自然》期刊上。 -
新進展:終於突破光學顯微鏡的限制,可以看見晶體中的電子
光學顯微鏡能使科學家看見像活細胞這樣的微小物體。但是，可見光顯微鏡無法分辨電子如何分布到固體中的原子之間。如今，羅斯託克大學極端光子實驗室和馬克斯·普朗克量子光學研究所的 Eleftherios Goulielmakis教授，以及中國中科院物理研究所的同事，開發了一種新的叫做 Piccope的光學顯微鏡，克服了這一限性，並在《自然》雜誌上發表了研究結果。 -
盤點2017年國內外那些光學及電子顯微鏡最新研究成果
資訊時代的到來，給人類帶入了一個嶄新的生活方式；顯微鏡的出現，把一個全新的世界展現在人類的視野裡。如今，隨著顯微鏡技術越來越成熟，其細分領域和種類越來越清晰，在眾多顯微鏡類別中，光學顯微鏡和電子顯微鏡便是其中兩類。 -
冷凍電子顯微鏡首次看到了單個原子
我致力於翻譯全球最新學術期刊上的文章與大家分享，同時奉上帶有重點詞彙中文釋義的英文原文。喜歡的關注吧。也希望各位科學大神和英文大神不吝賜教。改變分子成像技術的改變遊戲規則的技術稱為冷凍電子顯微鏡，可產生迄今為止最清晰的圖像，並且首次可分辨蛋白質中的單個原子。 -
中國非線性光學晶體研究成果巨大
為了促進科技成果與市場對接，本報特開闢《國家科技計劃項目成果巡禮》專欄，重點介紹國家科技計劃項目（包括「863」計劃、火炬計劃、科技支撐計劃等）中有明確產業化前景的最新科研成果，使之成為國家級科技成果展示的平臺、與市場對接的橋梁。 「我可以毫不誇張地說，中國在非線性光學晶體研究領域對世界的貢獻很大。」中科院院士陳創天在對本報記者說此話時，充滿了自豪。 -
光學顯微鏡下能看到的最小的東西是什麼?怎麼樣才能看到原子?
如果不藉助光學顯微鏡，首先對於很小的物體，其實我們的眼睛中沒有足夠的視錐細胞，而大腦沒有足夠的視神經可以看到如此小的細節，但是這不意味著您的大腦可以分辨不出遠遠超出您的眼睛實際能看到的細節。 對於一個細胞來說，光學顯微鏡可以觀察到線粒體、葉綠體、液泡、核仁等大小超過0.2微米的結構。 -
光學顯微鏡和電子顯微鏡的區別 光學顯微鏡和電子顯微鏡的區別是什麼
顯微鏡的作用是通過放大物體的具體形態來研究物體的構造和具體的內部特徵， 主要應用於物理生物和醫學的方面，通過顯微鏡放大後，可以直觀的了解細胞和各種細小物體的內部做構造，來做出相應的研究，對疾病的治療有一定的幫助。顯微鏡有光學顯微鏡和電子顯微鏡，它們兩個有什麼區別呢？我們一起來看看吧！ -
我們通過顯微鏡看到的原子,是原子的原子核,還是包括電子在內的...
我們通常在所謂的電子顯微鏡下看到「原子」，即解析度達到原子尺度電子顯微鏡的高解析度圖像。可以看到電子原子，」這是STM（在公眾更好地了解）和HRTEM（事實上，幾乎所有的TEM），但它是一個球面像差校正透射電鏡、乾等，一些重建技術如三維原子探針可以看到「在某種意義上的原子，在這裡暫不介紹。第一個概念的表達，所謂成像，需要用一定的對比度來反映物體的形態。 -
是誰發明了電子顯微鏡？電子顯微鏡的原理解釋
普通光學顯微鏡通過提高和改善透鏡的性能，使放大率達到1000－1500倍左右，但一直未超過2000倍，這是由於普通光學顯微鏡的放大能力受光的波長的限制。有人採用波長比可見光更短的紫外線，放大能力也不過再提高一倍左右。 -
...納米分辨的散射型近場光學顯微技術最新研究進展與應用
本報告將介紹10nm分辨的散射型近場光學顯微鏡（s-SNOM）的技術原理和技術發展，並結合數十篇發表在頂級期刊Nature、Science、Chemical Reviews、Advance Materials等上的最近科研成果，深入闡述這種技術在等離激元、二維材料、範德瓦爾斯材料、半導體等前沿研究領域的最近進展。 -
東京大學採用磁性材料研發電子顯微鏡 實現原子解析度成像
透射電子顯微鏡可以看到在光學顯微鏡下無法看清的小於0.2um的細微結構，這些結構稱為亞顯微結構或超微結構。要想看清這些結構，就必須選擇波長更短的光源，以提高顯微鏡的解析度。1932年Ruska發明了以電子束為光源的透射電子顯微鏡，電子束的波長要比可見光和紫外光短得多，並且電子束的波長與發射電子束的電壓平方根成反比，也就是說電壓越高波長越短。傳統的透射電子顯微鏡的分辨力限制在0.2nm。 -
冷凍電子顯微鏡技術獲新突破,精度達單個原子|科學要聞
· 生物技術 · 冷凍電子顯微鏡技術獲新突破，精度達單個原子 冷凍電子顯微鏡技術通過利用電子顯微鏡對冷凍固定的生物大分子進行成像，通過計算機軟體對所攝取的生物大分子圖像進行圖像處理和計算，並確認生物大分子的結構和形狀。 -
Science:石墨烯莫爾(moiré)超晶格納米光子晶體近場光學研究
該「納米光」指的是限域在導電介質表面的光子和電子的一種耦合電磁振蕩行為，即表面等離子體激元（SPPs）。該SPP的波長，λp，相比入射光λ0來說最多可減少三個數量級。如果要想構築納米光子晶體，我們需要在λp尺度上實現周期性介電結構，傳統方法中採用top-down技術來構建納米光子晶體，該方法在加工和製造方面具有較大的限制和挑戰。 -
Nature、Science共賞|納米分辨的散射型近場光學顯微技術最新研究...
本報告將介紹10nm分辨的散射型近場光學顯微鏡（s-SNOM）的技術原理和技術發展，並結合數十篇發表在頂級期刊Nature、Science、Chemical Reviews、Advance Materials等上的最近科研成果，深入闡述這種技術在等離激元、二維材料、範德瓦爾斯材料、半導體等前沿研究領域的最近進展。 -
神秘的它終於現出真身|電子顯微鏡|電子束|波長|光學_網易訂閱
肉眼看不到的病毒作為一個物種，很可能從地球生命誕生之初就已經存在，而人類從意識到有病毒存在→看到病毒的模樣→弄清病毒的內部結構成分卻經歷了漫長的過程。 「病毒」早在19世紀末就已被科學家們證實肯定存在，但用當時最先進的光學顯微鏡卻始終找不到病毒的蹤影(相關連結)。 -
低溫電子顯微鏡終於打破了原子解析度的障礙
低溫電子顯微鏡揭示了載鐵蛋白的原子細節，載鐵蛋白是一種中空的球形蛋白質複合物，可存儲鐵 如果要繪製蛋白質的最小部分，則只有幾種選擇：可以哄騙數百萬個蛋白質分子排列成晶體，然後使用X射線晶體學對其進行分析。 -
研究發現：氟化鋰晶體能夠「看到」高能重離子，可做成微型探測器
氟化鋰晶體現在實現可以用來記錄核粒子的軌跡，波蘭科學院核物理研究所的物理學家最新證明，這些晶體也是探測元素高能離子軌跡的理想材料，即使像鐵一樣重的粒子。當核粒子進入晶體時，粒子與晶體網絡中的原子或分子相互作用。在某些晶體中，在適當的條件下，由此產生的缺陷可能是弱發光來源。 -
東大等開發出顛覆常識的電子顯微鏡，無需強磁場直接觀察原子
另外，還在其上部配備了最新的像差校正裝置（DELTA型集電極），能將電子束縮小到原子尺寸。電子顯微鏡是目前使用的所有顯微鏡中解析度最高的顯微鏡。不過，要想實現高解析度，原理上需要將待觀察的樣本放入非常強的磁場中進行觀察，受到磁場影響的磁性材料很難觀察到原子。磁性材料的開發正在迅速發展，實施原子水平的結構評價是今後開發材料的關鍵，因此長久以來全球都在期待解決這個最大的難題。 -
非線性光學晶體研究取得進展
隨著科技的發展，技術的創新和發展對非線性光學晶體材料提出了更多、更高和更全面的要求。其中，作為全固態雷射器輸出紫外、深紫外雷射的關鍵元件，紫外、深紫外非線性光學晶體的研製、應用亟待發展和突破。 中國科學院新疆理化技術研究所特殊環境功能材料與器件重點實驗室潘世烈研究團隊近年來致力於新型紫外、深紫外非線性光學晶體的設計與合成。 -
世界最好顯微鏡問世 可用肉眼看到單個原子
【搜狐科學消息】 據美國《科學日報》今日報導，世界最強大的透射電子顯微鏡（TEM）已經在美國勞倫斯-伯克利國家實驗室安家落戶，可以清晰地看到原子，從而使分析化學物變得極為簡單，只用看一眼他們就行。