仪器情报，科学家首次提出并验证了自由电子拉姆齐成像新技术！

【科学背景】

随着电子显微镜在高空间和时间分辨率下对材料及其极化子的低能非平衡动态研究的深入，该领域引起了广泛关注。电子显微镜能够提供精细的空间分辨率和快速的时间分辨率，然而，获取极其微弱的信号并同时解开振幅和相位信息仍然是一个重要挑战。尤其是，在探测过程中，如何增强信号的强度并确保图像的准确性，成为当前研究的重要课题。

自由电子与电磁场的相互作用在许多科学和技术领域产生了深远影响，从电子显微镜和X射线源到微波源和加速器。自由电子与电磁场的相互作用可以通过在相互作用之前或之后调制电子来增强。这种电子调制在电子辐射和电子加速等应用中起到了关键作用。例如，介质激光加速器中的研究已经展示了这种调制的巨大潜力。

电子调制可以通过经典或量子力学方法实现，通过分别形成功电子分布或电子波包。在这一领域，光子诱导近场电子显微镜（PINEM）的研究提供了重要的启示。PINEM通过超快透射电子显微镜实现了高空间和时间分辨率的成像，其核心在于自由电子脉冲与光学近场的非弹性散射。这种相互作用使得能够以单纳米级空间分辨率和亚皮秒级时间分辨率重建近场振幅，并启用了一系列在纳米光子和凝聚态系统中的成像模式。

然而，尽管PINEM技术在成像和量子态重建方面取得了重要进展，其在提高电子显微镜近场成像灵敏度方面仍存在不足。为了解决这一问题，以色列理工学院Ido Kaminer教授团队提出了一种新的显微方法——自由电子拉姆齐成像（FERI）。这一方法通过光学调制自由电子来实现光学近场的相干放大，显著增强了信号强度。

本研究通过展示自由电子拉姆齐成像（FERI）的应用，解决了近场成像中信号微弱的问题。具体而言，研究人员在实验中展示了FERI在六方氮化硼（hBN）薄片微鼓结构中极化子动态的相干放大成像。相比传统的PINEM技术，FERI提供了高达20倍的信号对比度相干放大，通过电子-场相互作用理论进一步增强了算法方案下的放大效果。整体增强使得在低入射强度下能够获取高质量图像，为在电子或激光剂量敏感的情况下进行新型显微实验铺平了道路。

【科学亮点】

1. 实验首次提出并验证了FERI技术：

•实验展示了利用自由电子拉姆齐成像方法进行光学近场相干放大。这一技术依赖于光诱导电子调制，实现了电子成像中光学近场的增强，解决了传统电子显微镜中信号微弱和振幅、相位信息解离的问题。

2. 实验通过FERI技术实现的具体成果：

•实验对象为六方氮化硼（hBN）薄膜制成的微鼓结构。通过FERI技术，实验获得了hBN薄膜中二维极化子波包的亚周期动态，提供了时间、空间和相位分辨率的同时测量。

•实验揭示了极化子波前上的涡旋–反涡旋奇点现象，并观察到行波模仿驻波振幅轮廓的有趣现象。该现象通过相位分辨测量得以确认。

•FERI技术展示了相比传统电子近场成像高达20倍的信号相干放大能力，能够解析出几个瓦特每平方厘米量级的峰值场强度，对应于几千伏每米的场幅。

3. FERI技术的应用前景：

•实验结果显示FERI技术能够在电子或激光剂量敏感的情况下，提供极高的成像灵敏度和分辨率。这一技术特别适用于研究当前难以调查的生物样本和量子材料，如高温超导体和软物质等。

•通过FERI技术，可以在低入射强度（几个瓦特每平方厘米）下获取清晰图像，为新型显微实验提供了可能性，尤其在需要最大化信号而剂量有限的场景中显示出巨大潜力。

【科学图文】

图1：自由电子拉姆齐成像FERI：利用电子调制，以用于光学近场的相干放大成像。

图2： 极化激元波包的时间和相位分辨成像。

图3：通过自由电子拉姆齐成像FERI提取的本征声子极化激元特性：极化激元相速度的直接测量和涡旋-反涡旋对的识别。

图4：自由电子拉姆齐成像FERI，用于精确测量弱场的前景，以及经典和量子状态之间比较。

图5: 超快透射电子显微镜ultrafast transmission electron microscopy ，UTEM设置和光子电子调制器photonic electron modulator，PELM集成。

图6: 自由电子拉姆齐成像FERI中的优化程序。

【科学结论】

本文展示了自由电子拉姆齐成像（FERI）技术在光学近场成像领域的突破性进展，通过光诱导电子调制实现了对极其微弱信号的相干放大。FERI不仅能够在高空间和时间分辨率下观察材料和其极化子的低能非平衡动态，还能够同时获取振幅和相位信息，解决了传统电子显微镜面临的挑战。

FERI技术的引入为全断层扫描提供了可能，能够准确提取电磁模式的三维轮廓，包括深度受限的极化子。这种全新的测量方式不仅拓展了对量子材料中极化子非线性效应的观测能力，还为成像生物样本和其他剂量敏感材料开辟了新的可能性。FERI的相干放大特性使得其对低强度场的敏感度显著提高，进而减少了对样品的电子和激光剂量，有助于最小化损伤并增加数据的可靠性和精确性。因此，本文不仅在物理学和工程技术上有重大的应用潜力，还为未来在量子材料、生物科学和材料研究领域的进一步探索提供了新的方法和工具。

原文详情：Bucher, T., Nahari, H., Herzig Sheinfux, H. et al. Coherently amplified ultrafast imaging using a free-electron interferometer. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01451-w