原子的抽象模型，电子在原子壳层中旋转。 （图片来源：Michael Osterrieder via Getty Images）

物理学家发明了世界上最快的显微镜，它的速度非常快，可以发现运动中的电子。

这种新设备是透射电子显微镜的更新版本，它通过以千万亿分之一秒的电子脉冲撞击飞行中的电子来捕捉电子的图像。

这是一个了不起的成就：电子的传播速度大约为每秒 1367 英里（每秒 2,200 公里），仅需 18.4 秒便可绕地球一圈。

通过使用显微镜观察这些微小颗粒，研究人员希望能够发现它们飞行方式的一些新发现。研究人员于 8 月 21 日在《科学进展》杂志上发表了他们的研究成果。

“这种透射电子显微镜就像是最新版智能手机中功能强大的相机；它让我们能够拍摄以前无法看到的东西，比如电子，”该研究的主要作者、亚利桑那大学物理学和光学科学副教授穆罕默德·哈桑在一份声明中说道。“我们希望科学界能够利用这种显微镜了解电子行为和电子运动背后的量子物理学。”

电子如何在原子和分子内排列和重新排列是物理学和化学中的一个重要问题，但微小粒子的活泼性质使它们极难研究。

为了创造能够捕捉电子运动的曝光时间，物理学家在 21 世纪初开发出了产生微小阿秒（或 1X10^-18 秒）脉冲的方法——这一进步为做出该项研究的科学家赢得了2023 年诺贝尔物理学奖。

通过将显微镜的曝光时间缩短到几个阿秒的量级（一阿秒之于一秒相当于一秒之于宇宙的年龄），物理学家已经弄清楚了电子如何携带电荷，它们如何在半导体和液态水中行为，以及原子之间的化学键如何断裂。

但即使是几阿秒的尺度也太大了，无法捕捉到电子的单个运动。为了实现这一点，新研究背后的物理学家对电子枪进行了调整，直到它产生仅一阿秒的脉冲。

这些脉冲撞击被研究的“样本”，当电子穿过样本时，它们的速度会减慢，并改变电子束波前的形状。减慢的光束随后被透镜放大，然后撞击荧光材料，当光束落在荧光材料上时，荧光材料会发光。

通过将电子脉冲与两个精心同步的光脉冲配对（分别激发材料中的电子运动并协助产生电子脉冲），他们能够探测原子内部电子的超快运动。

“我们能够利用电子透射显微镜实现阿秒级的时间分辨率，我们称之为‘阿秒显微镜’，”哈桑说。“这是我们第一次能够看到运动中的电子碎片。”