超快电镜助力等离子体研究重要发现 万亿分之一秒的等离子体场检测

阿贡纳米材料中心的超快电子显微镜，图片自：阿贡国家实验室

每个去过大峡谷的人都能体会到靠近自然边缘的强烈感受。同样，美国能源部(DOE)阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的科学家们发现，当接近一层单原子厚的碳薄膜(石墨烯)边缘时，金纳米颗粒会表现异常。这可能对新型传感器和量子设备的发展产生重大影响。

这一发现是通过美国能源部科学用户设施办公室——阿贡纳米材料中心 (CNM) 新建立的超快电子显微镜 (UEM) 实现的。UEM能够实现在纳米尺度和不到一万亿分之一秒的时间尺度内的可视化和现象研究。 这一发现可能会在不断发展的等离子体领域引起轰动，该领域涉及光撞击材料表面并触发电子波，称为等离子体场。

多年来，科学家们一直致力于开发具有广泛应用的等离子体设备——从量子信息处理到光电子学（结合光基和电子元件），再到用于生物和医学目的的传感器。为此，他们将具有原子级厚度的二维材料（例如石墨烯）与纳米尺寸的金属颗粒相结合。而要想理解这两种不同类型材料的组合等离子体行为，就需要准确了解它们是如何耦合的。

在阿贡最近的一项研究中，研究人员使用超快电子显微镜直接观察金纳米颗粒和石墨烯之间的耦合。

“表面等离子体是纳米粒子表面或纳米粒子与另一种材料界面上的光诱导电子振荡，”阿贡纳米科学家Haihua Liu说， “当我们在纳米粒子上照射光时，它会产生一个短寿命的等离子体场。当两者重叠时，我们 UEM 中的脉冲电子与这个短寿命场相互作用，电子要么获得能量，要么失去能量。然后，我们收集那些使用能量过滤器获得能量的电子来绘制纳米粒子周围的等离子体场分布。”

在研究金纳米粒子时，Liu和他的同事发现了一个不寻常的现象。当纳米颗粒位于石墨烯薄片上时，等离子体场是对称的。但是当纳米颗粒靠近石墨烯边缘时，等离子体场在边缘区域附近集中得更强烈。

Liu说：“这是一种非凡的新思考方式，可以思考我们如何利用纳米尺度的光以等离子体场和其他现象的形式操纵电荷。” “凭借超快的能力，当我们调整不同的材料及其特性时，很难预测我们将看到什么。”

整个实验过程，从纳米粒子的刺激到等离子体场的检测，发生在不到几百千万亿分之一秒内。

CNM 主管 Ilke Arslan 表示：“CNM 在容纳 UEM 方面是独一无二的，该 UEM 对用户开放，并且能够以纳米空间分辨率和亚皮秒时间分辨率进行测量。” “能够在如此短的时间窗口内进行这样的测量，开启了对非平衡状态中大量新现象的研究，而我们以前没有能力探测到这些现象。我们很高兴能够提供这种能力给国际用户。”

对于这种纳米颗粒-石墨烯系统的耦合机制的理解，将是未来开发令人兴奋的新型等离子体装置的关键。

基于这项研究的论文“使用超快电子显微镜可视化等离子体耦合”（Visualization of Plasmonic Couplings Using Ultrafast Electron Microscopy）发表在 6 月 21 日的《Nano Letters》上，DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c01824。除了 Liu 和 Arslan，其他作者还包括 Argonne 的 Thomas Gage、Richard Schaller 和 Stephen Gray。印度理工学院的 Prem Singh 和 Amit Jaiswal 也做出了贡献，武汉大学的 Jau Tang 和 IDES, Inc. 的 Sang Tae Park 也做出了贡献（日本电子于2020年初收购超快时间分辨电镜商IDES）。

文：Jared Sagoff，阿贡国家实验室

关于CNM新建立的超快电子显微镜 (UEM)

CNM 的超快电子显微镜 (UEM) 是一种独特的工具，可供美国能源部纳米科学研究中心的用户使用。

CNM超快电子显微镜实验室。左起顺时针:Thomas Gage, Haihua Liu和Ilke Arslan

UEM 的应用是利用电子研究纳米级材料中的超快（亚皮秒）结构和化学动力学，这是一个广受关注的新兴科学领域。

CNM的 UEM 结合了以下功能：

■具有高重复率的可调谐飞秒激光器

■产生脉冲电子束的多种途径

■配备高灵敏度相机和电子能量过滤的同步激光泵浦脉冲透射电子显微镜

CNM精心设计的UEM打开了通向任何标准电子显微镜都不具备的科学理解领域的大门，即理解亚纳米空间分辨率材料中的快速(亚皮秒到纳秒)动力学和短期亚稳态相。它代表了一种关键的分析工具，可以提供超快的结构和化学变化，以广泛的系统。

在未来几年，通过开发超快的电气和机械触发机制，CNM期望开发具有基础和设备相关性的新型样品环境和样品激发途径。结合超快探测，这将允许深入了解电场和应变的非平衡现象。例如，人们可以探索声学声子模式在量子信息科学感兴趣的材料和系统中产生的应变随时间变化的影响，例如金刚石或碳化硅中的空位缺陷。

在纳米科学的许多领域中，UEM 在促进对瞬态过程的理解方面具有很高的价值，例如激子定位、短寿命亚稳相、光致分离、拓扑材料动力学、等离子体系统、分子马达和磁波动等。连同理论建模，UEM 将为纳米科学界提供对纳米材料的前所未有的理解。

阿贡国家实验室是 1946 年在伊利诺伊州杜佩奇县成立的第一个也是最大的国家实验室。 美国能源部资助阿贡国家实验室和芝加哥阿贡大学有限责任公司管理该实验室。 阿贡国家实验室前身是芝加哥冶金实验室，也是恩里科·费米 (Enrico Fermi) 第一个受控核链式反应演示的所在地。 目前，阿贡实验室由阿贡先进光子源、阿贡串联直线加速器系统组成，开展基础科学研究、清洁能源实验、全国环境问题管理，最重要的是审查和监测国家安全风险。