量子物理学促进电镜技术两大新成果：敏感样品高分辨成像和原子级粒子相互作用测量

　　作者：俄勒冈州大学Laurel Hamers

　　UO CAMCOR工厂的扫描电子显微镜。物理学家Ben McMorran和他的团队想出了一种改进研究工具性能的方法。图片来源自俄勒冈州大学

　　量子怪诞正在为电子显微镜打开新的大门，成为高分辨成像的强大工具。

　　UO物理学家Ben McMorran实验室的两项新进展正在改进显微镜。这两种方法都源于量子力学的一个基本原理：电子可以像波和粒子一样同时运动。这是许多奇怪的量子级怪诞的例子之一，在这些怪诞中，亚原子粒子的行为似乎往往违反了经典物理定律。

　　其中一项研究发现了一种在显微镜下研究物体而不与之接触的方法，从而防止显微镜损坏易碎样品。第二种方法设计了一种同时对一个样本进行两次测量的方法，提供了一种研究该物体中的粒子如何跨距离相互作用的方法。

　　McMorran和他的同事在两篇论文中报告了他们的发现，这两篇论文都发表在《物理评论快报》杂志上。

　　“通常很难在不影响它的情况下观察到一些东西，尤其是当你观察细节时。”McMorran说道：“量子物理学似乎为我们提供了一种在不破坏事物的情况下更深入地研究它们的方法。”

　　电子显微镜被用来近距离观察蛋白质和细胞以及非生物样本，比如新材料。电子显微镜将电子束聚焦在样品上，而不是传统显微镜中使用的光。当光束与样品相互作用时，其某些特性会发生变化。探测器测量光束的变化，然后将其转换为高分辨率图像。

　　但这种强大的电子束会对样品中的脆弱结构造成破坏。随着时间的推移，它可能会削弱科学家试图研究的细节。

　　作为一种解决方法，McMorran的团队使用了20世纪90年代初发表的一项理想实验，该实验提出了一种在不触碰敏感炸弹、不冒引爆风险的情况下探测敏感炸弹的方法。

　　这个技巧依赖于一种叫做衍射光栅的工具，衍射光栅是一种带有微小缝隙的薄膜。当电子束击中衍射光栅时，它被一分为二。

　　McMorran实验室的研究生Amy Turner是第一项研究的主导人，她解释说：“在这些分束衍射光栅正确对准的情况下，电子进入并分裂成两条路径，但随后重新组合，使其只流向两种可能输出中的一种。其原理是，当你放入样品时，电子与自身的相互作用会被打断。”

　　在这种装置中，电子不会像传统的电子显微镜那样击中样品。相反，电子束重组的方式揭示了范围内样本的信息。

　　在另一项研究中，McMorran的团队使用类似的衍射光栅装置同时在两个地方测量样品。他们将电子束分开，使其在一个小金粒子的两侧通过，测量电子传递到每一侧的粒子的微小能量。

　　这种方法可以揭示样本在原子水平上的敏感细微差别，了解样本中粒子相互作用的方式。

　　劳伦斯伯克利国家实验室的博士后研究员Cameron Johnson在McMorran的实验室做了博士研究，并领导了这项研究。他认为：“这项研究的特殊之处在于，你可以观察它的两个独立部分，然后将它们结合在一起，看看这是一种集体振荡，还是它们之间不相关。我们可以超越显微镜的能量分辨率和通常无法达到的探针相互作用的极限。”

　　虽然这两项研究进行了不同类型的测量，但它们使用的是相同的基本设置，即所谓的干涉测量法。McMorran团队的成员认为，他们的工具可能在他们自己的实验室之外有用，可以用于各种不同类型的实验。

　　Turner自豪道：“这是第一台此类电子干涉仪。人们以前使用过衍射光栅，但这是一种功能灵活的版本，可以根据不同的实验进行调整。”

　　McMorran谈到，如果有合适的材料和说明，这种装置可以被添加到许多现有的电子显微镜上。他的团队已经引起了其他实验室研究人员的兴趣，他们希望在自己的显微镜中使用干涉仪。

参考资料：

Amy E. Turner et al, Interaction-Free Measurement with Electrons, Physical Review Letters (2021).  DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.110401

Cameron W. Johnson et al, Inelastic Mach-Zehnder Interferometry with Free Electrons, Physical Review Letters (2022).  DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.147401