アト秒電子顕微鏡：時間分解能と空間分解能の究極の挑戦

制作：中国科学普及協会

著者: 海の中の塩辛い魚 (中国科学院長春光学精密機械研究所光学修士)

プロデューサー: 中国科学博覧会

アト秒関連のホットな話題は、2023年のノーベル物理学賞がアト秒物理学の分野の実験物理学者3人に授与されたことです。人間の世界では秒はすでに非常に短く、アト秒は人間が認識するのが難しい瞬間です。

アト秒は人間が認識したり捉えたりすることが難しいですが、物理学や情報科学など多くの研究分野にとって大きな意義を持っています。アト秒への扉を開けると、ミクロの世界の驚異が私たちを待っています。

アト秒物理学分野の実験物理学者3人

（写真提供：ノーベル賞公式サイト）

アト秒の世界へ

アト秒は時間の単位で、1 アト秒 = 10^-18 秒です。これはどういう意味ですか？ 1 秒間のアト秒数は、宇宙が誕生してからの秒数と同じです。

（画像提供：スウェーデン王立科学アカデミー）

もっと具体的に言えば、平均的な大きさの部屋の端から反対側の壁まで光線が伝わるのには、数百億アト秒かかります。真空中では、光が1アト秒間に移動できる距離は約0.3ナノメートルです。

小さなハチドリは1秒間に80回羽ばたくことができ、人間の目にはその羽がぼやけた影として映ります。飛んでいるハチドリの羽の写真を撮るには、高速撮影と速度に合わせた照明技術が必要です。

同様に、ミクロの世界では、電子が原子間を移動すると、その位置とエネルギーはアト秒のオーダーで変化します。電子の移動状態を調べて「ビデオを撮る」には、アト秒レーザーパルスの助けが絶対に必要です。アト秒レーザーパルスは、持続時間がアト秒の光の閃光です。

アト秒フラッシュ生成のスナップショット

（画像提供：マックス・プランク量子光学研究所、トルステン・ネーザー）

その出現はミクロの世界への新たな扉を開き、人々の物質構造の研究能力が新たなレベルに達したことを意味し、基礎物理学の研究分野にも新たな潮流を引き起こしました。

現在、物理学の構築には暗雲が漂っていますが、アト秒パルスは希望をもたらすかもしれません。

電子顕微鏡が光学顕微鏡の解像度の限界を突破

電子の動きによって生じる電磁場の変化を観察するには、十分に速いフラッシュライトだけでなく、原子スケールに達する解像度を持つ顕微鏡、つまり透過型電子顕微鏡も必要です。

電子顕微鏡は、観察対象のサンプルの原子構造を画像化することができます。現在、最高解像度の電子顕微鏡は、0.5オングストローム（0.05ナノメートル）の解像度を達成できます。

マグネシウムサンプルの高解像度電子顕微鏡観察

(画像出典: Wikipedia)

初期の頃、人々は従来の光学システムを観測に使用していたが、光学システムの解像度の問題が徐々に発見された。

1834年、ジョージ・ビデル・エアリーは天体望遠鏡で天体を観測中に、光の波動性によって引き起こされる回折現象を発見しました。 1835 年に彼は、解像度を制限する光の回折限界であるエアリーディスクの概念を提唱しました。

1878年、クリーブランド・アッベは、光学顕微鏡の分解能は光波の回折によって制限されることを指摘し、顕微鏡の分解能の限界を表す式を与え、顕微鏡の分解能は光の波長によって制限されることを指摘した。現在の従来の光学顕微鏡の解像度は数百ナノメートルに限られています。

光学顕微鏡の限界を突破するために、人々は次第に真空中を高速で移動する電子に注目し、高解像度の顕微鏡を探し求めるようになりました。

1924 年、ド・ブロイは電子の波動性を提唱し、電子の運動が光波と深い類似性を持つことを示し、電子光学の確立と発展のための理論的基礎を築きました。

当時、物理学者のグループが光の波動粒子二重性について議論しており、ド・ブロイの理論は物理学界を非常に活気づけました。彼自身も、電子の波動性の発見と量子論の研究によりノーベル物理学賞を受賞しました。

高速電子は軸対称の電場または磁場によって屈折および集束させることができるため、ガラスが光を屈折させるレンズになるのと同じように、電場または磁場を使用して電子レンズを作成できます。

十分な理論的基礎があったため、電子顕微鏡の誕生と発展は自然な結果でした。

1931年に最初の透過型電子顕微鏡が登場しました。これはブラウン管オシロスコープを改造したもので、像の拡大率はわずか13倍でした。 1939 年に、10 ナノメートルを超える解像度を持つ最初の商用電子顕微鏡が製造されました。

初期の透過型電子顕微鏡

(画像出典: Wikipedia)

アト秒電子顕微鏡：物理学に新たな扉を開く

「アト秒光パルス＋透過型電子顕微鏡」、この組み合わせは、電子の居場所がアト秒電子顕微鏡の鼻の下に隠れる場所がないことを意味します！

（画像提供：スウェーデン王立科学アカデミー）

2023年、ネイチャー誌の記事では、物体にレーザーを照射したときの物体表面の電子の動きを観察するためにアト秒電子顕微鏡が使用されたことが報告されました。

（画像出典：参考文献[1]）

この実験では、科学者たちはアト秒レーザーパルスを使用して、電子ビームをアト秒の持続時間を持つ一連の電子パルスに変調しました。サンプルに当たるパルスによって発生する各種信号をエネルギーフィルターでフィルタリングしてノイズを除去し、電子の移動によって発生する電界写真を記録して電子の移動状態を取得しました。

これらの一連の写真を重ね合わせると、電子の動きの「ビデオ」が得られます。

電子エネルギーが時間とともに変化する画像、1fs（フェムト秒）= 1000as（アト秒）

（画像出典：参考文献[1]）

電子の動きを正確に測定し、その物理的特性を理解し、原子内の電子の動的な動作を制御することは、人々が追求する重要な科学的目標の 1 つです。アト秒パルスを使用すると、個々の微小粒子を測定したり、操作したりすることができ、微視的世界のより基本的かつ原理的な観察と記述が可能になります。

結論

宇宙の広大さを見上げ、種の豊富さを見下ろしてください。

自然科学の発展の歴史を振り返ると、人類がミクロの世界の探究を決してやめなかったことが分かります。今日の技術の急速な進歩により、微視的世界への扉を開く手段やツールが増えています。探査はまだ進行中だが、ミクロの世界の生き生きさがやがて人々に知られるようになるだろう。

参考文献:

[1] ナベン、デヴィッド、ジョエル・クトルフ、レビン・シュトルツ、アンドレイ・リャボフ、ピーター・ボーム。 「サブサイクル光学ダイナミクスのアト秒電子顕微鏡法」ネイチャー（2023）：1-5。

[2] Corkum、P. Á.、および Krausz、F. (2007)。アト秒科学。自然物理学、3(6)、381-387。

[3] ダイ・チェン、ワン・ヤン、ミャオ・ジーミン、ジェン・ウェイ、チャン・リンフェン、ウー・チェンイン。 「フェムト秒レーザーと物質の相互作用に基づく高次高調波発生と応用」レーザー＆オプトエレクトロニクスの進歩58、no. 3 (2021): 0300001-30000114.

[4] 黄思源、田環芳、鄭定国、李仲文、朱春輝、楊淮新、李建琦。 「高時間・高空間分解能透過型電子顕微鏡の開発と応用」世界科学技術研究開発44号。 3（2022）：392。

[5] Dong Quanlin、Jiang Yueling、Wang Jiijiu、他。透過型電子顕微鏡の発展に関する簡単なレビュー[J]。中国電子顕微鏡ジャーナル、2022年、41(6):685-688。

[6] Li、Cheng、Jun-Chi Chen、Xing-Kun Wang、Ming-Hua Huang、Wolfgang Theis、Jun Li、Meng Gu。 「原子可視化を超えて - 走査透過型電子顕微鏡による担持 2 原子単一クラスター触媒の特性評価」サイエンスチャイナマテリアルズ（2023）：1-8。