編者按：
2023年10月，中國科協發佈了2023重大科學問題、工程技術難題和產業技術問題。其中工程技術難題的第一項是“如何實現在原子、電子本徵尺度上的微觀動力學實時、實空間成像？”
給原子和電子拍照攝像？看起來似乎跟現實生活沒關係？不，相關研究的發展對於深入理解原子和電子行爲、材料性能的提高以及新材料的發現和設計具有重要的意義。
那麼這個工作到底難在哪裏？讓我們先看看世界上“最小”的電影。

世界上“最小”的電影

2013年4月30日，IBM科學家們製作了一部物理意義上的世界最小電影《A Boy and His Atom（一個男孩和他的原子）》——並被《吉尼斯世界紀錄大全》認證爲“史上最小的定格動畫影片”。之所以說這部電影爲物理意義上的世界最小電影，並不是因爲它的時長僅爲1分33秒，而是因爲電影中的所有“演員”都是原子，而電影的拍攝工具則是掃描隧道顯微鏡。

一個男孩和他的原子之間的故事——世界上“最小”的電影（引自IBM視頻《A Boy And His Atom: The World''s Smallest Movie》）

雖然短小，但這部電影的製作難度極高。首先原子的尺寸非常小，在埃量級（10^-10m），假如把一個原子一個乒乓球同步放大，當原子放大到乒乓球的大小時，那麼乒乓球將會變得比地球都大。要看到並移動如此之小的原子，必須採用分辨率高達埃量級的掃描隧道顯微鏡。另外，所有物質內部的原子其實在不停運動，溫度越高，運動越快。所以，要移動原子還必須使其保持在極低的溫度（接近絕對零度），才能讓原子不隨機“走動”。

在這部原子電影的整個製作過程中，科學家們動用了兩臺掃描隧道顯微鏡，在-268 ℃的低溫下，將樣品放大1億倍，看到了樣品表面的原子，然後再遠程操控僅有1 nm的針頭來移動原子，並擺放成需要的畫面，最後形成一幀一幀的定格動畫。製作中一共移動了5000個原子，最終出現在影片裏的有65個原子“演員”和242幀畫面。雖然這部“電影”實現了對原子的操作，但這只是在極低溫環境下保持原子不動的情況，並未記錄原子本身的運動。

如果想要觀察到原子在正常情況下的運動狀態，對設備的要求更高。這是由於原子本身在以很快的速度不停振動（典型值500~1000 m/s），而且原子運動範圍在0.1 nm左右，所以原子振動的時間尺度在百飛秒量級（1 fs=10^-15 s）。因此，要實現對原子的“拍照”、“錄像”，不僅需要埃量級的空間分辨率還需要飛秒量級的時間分辨率。而對於原子內部的電子，其繞原子核旋轉的速度在105 m/s的量級，比原子還要快成百上千倍，運行時間尺度達到了人類目前可觸及的時間極限——阿秒（1 as=10^-18 s）。在1 as的時間內，即便是快如光速（3x10^8 m/s），也只能穿過0.3 nm的距離，大約是頭髮絲直徑的二十萬分之一，這使得在空間和時間兩個維度都遠遠超出人眼甚至現有科學儀器可觀測的極限。

即使挑戰如此巨大，科學家們依然在不停努力，試圖建造出更加精密的設備來觀察原子和電子的運動。之所以這麼做，是因爲所有宏觀物質都是由微觀粒子構成，當我們用顯微鏡把人體的一個部位不斷放大後將會看到下圖展示的圖像：

首先我們看到皮膚由細胞組成，細胞內部有細胞核，進一步放大細胞核可以看到含有遺傳物質的DNA大分子。分子又由多個原子組成，原子可謂是構成所有物質的基礎，原子內部又包含原子核與電子，電子的數量和排布決定了原子的性質，進一步影響宏觀物質的性質。可見電子、原子是決定宏觀物質的屬性與動力學規律的根源。爲了理解生命的本質，人們不斷追求更高的分辨率來觀察物質更細小的結構，朝着越來越小的微觀世界探索。

將人體皮膚放大數百萬倍後觀察到的神奇微觀世界

空間與時間是人類認識世界的兩個最重要維度，想要完全瞭解事物發生的過程，必須同時在這兩個維度觀察其變化過程，缺一不可。目前的高分辨透射電子顯微鏡或掃描隧道顯微鏡可以提供原子尺度的超高空間分辨率，但電子顯微鏡需要通過長時間累積連續的電子信號獲得樣品信息，掃描隧道顯微鏡需要通過移動納米針尖並採集電流信號獲得樣品信息，都不具備時間分辨率——換句話說，無法實時觀察到微觀粒子的超快運動過程。

如何同時突破人類可分辨的時間與空間極限，實現對原子、電子的“拍照”、“錄像”就成爲了人們長期探索的重要科學難題。

高速的攝影需要高速的快門

其實我們日常生活中也會涉及到很多快速現象的捕捉，比如小鳥飛行時高速振動的翅膀、疾馳的駿馬、子彈擊穿物體的瞬間等，這些人眼都無法清晰地分辨，需要用到高速攝影技術。如果想用相機拍攝快速運動物體的清晰圖像，那麼相機快門必須比運動物體的速度更快，否則拍攝的圖像就是“模糊”的。也就是說，任何測量都必須比被測量對象變化的速度更快纔可以。

子彈擊穿玻璃的瞬間（引自Veer圖庫），燈泡爆裂的瞬間（引自Veer圖庫），人眼觀察的與高速相機拍攝的疾馳的駿馬（引自維基百科The Horse in Motion），小鳥飛行時高速振動的翅膀（引自Veer圖庫）

人們對於超快現象的拍攝最早可以追溯至19世紀70年代，故事始於賽馬比賽，當時的賽馬愛好者爭辯“馬在奔跑中是否可以四蹄同時離地”，爲了解決這一爭論，一位有名的攝影實驗家埃德沃德·邁布里奇（Eadweard Muybridge）利用12臺雙鏡頭相機對騎手騎馬疾馳的瞬間進行了拍攝，他在賽馬跑道邊上放置12臺相機，並將12根橫穿賽道的觸發線繃緊依次連接到相機快門上，當馬碰及觸發線時，相機快門被連續觸發，從而連續捕捉到12張馬奔跑途中的照片，從定格的畫面中可以清晰看到馬四蹄同時離地的瞬間。邁布里奇也因此被譽爲“動態攝像之父”，他的偉大發明爲高速攝影與電影的發展奠定了重要的基礎。

目前，超高速攝影的時間分辨能力已經可以達到百飛秒量級，比如基於條紋相機的壓縮感知超快成像技術可以拍攝到光的傳播、折射和反射過程。高速攝影在高速生物學現象觀測、細胞高速成像、高速移動物體的軌跡跟蹤、快速流體觀測、汽車碰撞試驗等各個領域都發揮着舉足輕重的作用。但隨着不斷深入物質的微觀體系，其特徵時間和空間尺度越來越小，普通的高速攝影技術還是無法滿足對物質特徵和物質本質的微觀瞬態運動過程的探測需求，直到基於激光脈衝的泵浦探測技術的發展爲超快探測技術提供了嶄新的思路。

壓縮感知超快成像拍攝到的光的傳播、折射和反射過程（引自Gao, Liang, et al. Single-shot compressed ultrafast photography at one hundred billion frames per second. Nature 516.7529 (2014): 74-77.）

泵浦-探測技術

1960年，美國物理學家梅曼（Maiman）成功研製了世界上第一臺紅寶石激光器，發出第一束可實際應用的激光，脈衝持續時間在微秒量級。此後，人們逐漸開始發現激光在科研、工業以及日常生活等各領域中都有重要應用。隨着激光技術的快速發展，激光脈衝的持續時間也越來越短，不斷突破納秒、皮秒、飛秒、阿秒等時間尺度。

而超短激光脈衝結合“泵浦-探測技術”可以用於微觀超快運動過程的觀測，其原理是用一束激光脈衝激發被測樣品到激發態，這束光被稱爲泵浦光，再用第二束激光脈衝，被稱爲探測光，穿過被泵浦光輻照的樣品區域，探測樣品被激發後的動態過程，通過改變兩束光脈衝之間的時間差，就可以探測到一系列不同時刻下樣品的微觀超快現象演化過程。這一過程就好像我們日常在黑夜中拍攝時的閃光燈一樣，閃光燈照亮物體不同時間段的狀態，從而讓相機記錄下來。

泵浦—探測實驗可實現分子電影（修改自Molecules in motion: How ultrashort light pulses make the ultrafast movie by Caroline Arnold Nov., 2023）

在20世紀80年代，美國加州理工大學的哈邁德·澤維爾教授（Ahmed H. Zewail）正是結合持續時間爲飛秒尺度的激光脈衝與泵浦-探測技術開發了飛秒光譜技術，並用之開展了一系列超快實驗以觀察化學反應中的動力學過程，成功觀測到化學反應的過渡態。澤維爾教授是飛秒化學研究領域的開創者，也因此獲得了1999年諾貝爾化學獎，被譽爲“飛秒化學之父”。泵浦-探測技術具有易在實驗室搭建、成本相對較低的優點，且時間分辨率取決於所採用的激光脈衝寬度和系統最低延遲分辨，可實現較高的時間分辨率，是目前廣泛應用的超快探測技術。

阿秒脈衝：一盞定格微觀世界的“最快閃光燈”

飛秒光譜技術藉助於飛秒激光爲人們打開了探測原子世界的大門，而原子內部的電子運動達到了更快的阿秒量級，因而電子的運動必須利用更快的阿秒脈衝才能觀測到。

2001年，科學家們首次實現了阿秒光脈衝的產生，這猶如爲相機提供了一個“超級快門”，第一次將人類探索世界的時間尺度推進到阿秒量級，爲人們打開了電子世界的大門。2023年諾貝爾物理學獎授予了Pierre Agostini，Ferenc Krausz和Anne L’Huillier三位阿秒領域的科學家，正是因爲他們在阿秒光脈衝實驗產生方面做出了突出的貢獻，促進了物質中電子動力學的研究。

Anne L’Huillier首先在1987年與同事在實驗中首次觀測到強激光照射氬氣時產生高次諧波現象，獲得了典型的高次諧波頻譜結構，即一系列梳齒狀的尖峯，爲阿秒科學奠定了基礎。基於隨後科學家在高次諧波理論方面的研究，2001年兩個實驗研究組分別實現了阿秒光脈衝的產生。Pierre Agostini的研究組實現了脈衝寬度僅爲250 as、相鄰脈衝間距爲1.35 fs的一系列阿秒脈衝串的產生與測量，而Ferenc Krausz則首次產生並測量了650 as孤立的阿秒光脈衝，並用於研究原子內電子的運動。至此，阿秒時代正式到來。此後，多個研究組相繼開展阿秒光脈衝的研究，不斷刷新阿秒光脈衝的最短脈寬記錄。

高次諧波的頻率結構，分爲微擾區（黃色部分）、平臺區（紅色部分）與截止區（藍色部分）

（引自2023年諾貝爾物理學獎報告chrome-extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/https://www.nobelprize.org/uploads/2023/10/advanced-physicsprize2023-2.pdf）

Agostini等用RABBITT法測出的阿秒脈衝序列，每個峯的半高寬是250 as，間隔是1.35 fs，餘弦函數波形（虛線）代表零延遲時紅外探測場（引自Paul, Pierre-Marie, et al. Observation of a train of attosecond pulses from high harmonic generation. Science 292.5522 (2001): 1689-1692.）

Ferenc Krausz等測量的孤立阿秒脈衝，其中黑色點爲實驗測量結果，紅色線爲假設脈衝寬度爲650 as的模擬計算結果，插圖中的綠線、紅線、藍線分別是假設脈衝寬度爲500 as、650 as、800a s時的模擬計算結果（引自Hentschel, Michael, et al. Attosecond metrology. Nature 414.6863 (2001): 509-513.）

我國在阿秒激光的研究起步相對晚一些，但近些年也取得了顯著進展。2013年中國科學院物理所實現了160 as光脈衝，2019年中國科學院西安光機所突破了159 as的孤立阿秒脈衝，並在2021年產生了更短的75 as光脈衝，刷新了國內記錄，直到今年，國防科技大學再次突破了51 as，是目前國內最短的阿秒脈衝記錄。此外，上海光機所、精密測量科學與技術創新研究院以及北京大學、華東師範大學、吉林大學、南京理工大學、中國科學院近代物理研究所、西北師範大學等單位都在阿秒激光理論和應用方面有重要成果報道。

阿秒脈衝的脈寬變化（引自王虎山，曹華保，皮良文，等. 阿秒脈衝產生和測量技術研究進展（特邀）. 光子學報，2021，50（1）：0132001）

阿秒脈衝的誕生猶如爲定格微觀世界的“相機”提供了一盞極快的“閃光燈”。在過去二十年中，阿秒技術開啓了對原子、簡單分子和固體材料中超快電子過程的研究。2009年，西班牙馬德里自治大學的教授Fernando Martín和意大利米蘭理工大學的Mauro Nisoli合作設計了第一臺能夠看到分子中電子如何運動的“阿秒相機”。他們利用阿秒光脈衝照射最簡單的氫分子並誘導分子內的電子運動，再利用另一束具有同樣性質的阿秒脈衝成功“拍攝”了不同時刻的電子運動狀態。

氫分子內的電子運動

（引自https://www.bbvaopenmind.com/en/science/physics/how-to-film-an-electron-the-chemistry-of-the-improbable/）

四年後，Martín和Nisoli再次合作，獲得了生物分子樣品—苯丙氨酸，一種人體必需的氨基酸—中的電子運動。他們利用阿秒脈衝來促進氨基酸苯丙氨酸的電離，並結合理論計算實現了對複雜分子內部電荷遷移過程的測量，在多原子分子中觸發和觀察這種電子動力學的能力代表了阿秒科學向前邁出的關鍵一步。

阿秒科學爲人類徹底打開了微觀世界的大門，有望實現對微觀粒子相互作用與運動規律的精密測量，進而從物質的最根本起源理解和調控其宏觀特性，這將支撐許多基礎前沿科學的跨越式發展。

例如，在生物醫學領域，癌症作爲世紀難題，目前普遍認爲其誘因是紫外輻射導致的DNA損傷，但受限於現有的技術手段，該推論無法得到確認。DNA分子由原子構成，而原子又包含電子和原子核，那麼，藉助阿秒脈衝，科學家就有可能在更微觀、更基礎層面看清DNA損傷內在的電子運動過程，理清紫外輻射導致的DNA損傷與腫瘤癌變的生理關聯，無疑這將使癌變的預防、診斷及治療更加有的放矢。

另外在能源科學領域，開發創新、廉價、可持續的能量轉換方法是當今世界極爲重要的研究方向之一，對光能轉換和熱電轉換過程中涉及的電傳輸、熱傳輸和能量轉換過程的深入理解將是開發新型可控材料的先決條件，而這些過程中涉及到的超快電荷轉移、界面電荷分離過程等是進一步提升能量轉換效率的關鍵，需藉助於阿秒科學與技術，觀測在這些材料的最終功能中起核心作用的電子、原子的微觀超快運動過程。

由於阿秒科學的前沿性和不可限量的應用前景，世界各國都在積極規劃阿秒激光設施、阿秒科學中心及阿秒電子成像平臺的建設，我國也在強化阿秒科學的研究，聯合多方力量積極推動先進阿秒激光設施的建設。2023年1月11日，“阿秒科學與技術研究中心”在中國科學院西安光機所成立並正式揭牌，隨後，在2023年4月25日，“阿秒科學中心”在廣東東莞松山湖正式揭牌，由中國科學院物理所和松山湖材料實驗室共建，他們的目標都是建設當前最先進的、波段和性能以及應用終端全面覆蓋的阿秒激光設施，提供具有阿秒時間分辨能力和高時空相干性的超快物質科學與技術研究設施，提升我國在超快科學領域的綜合競爭力。

阿秒電子顯微技術

阿秒激光的產生第一次將人類探索世界的時間尺度推進到阿秒量級，但是受到光脈衝的波長和衍射極限的限制，基於阿秒光脈衝的測量技術空間分辨能力都無法突破納米量級，仍然不能完全實現對電子的直接時空觀測，即實時、實空間成像。衍射極限描述了光學成像系統可以分辨的最小特徵尺寸，其由光的物理性質決定的，不是我們在製造顯微鏡時的製造限制。換句話說，衍射極限不能用更好的玻璃研磨技術或更大的孔徑物鏡來克服，這是物理學造成的障礙。簡單來講，按照幾何光學的理論，一束理想的光波經過理想透鏡後應該聚焦到一個無限小的點，而實際上由於衍射效應的存在，這個焦點不是無限小的，而是有一定直徑的，這個直徑跟波長、焦距和光束直徑有關，這就是衍射極限的結果。

這時科學家們將目光看向具有極高空間分辨能力的電子束，只要將電子脈衝壓縮到阿秒量級，就可以實現同時具有阿秒時間分辨率與亞埃空間分辨率的超高時空分辨成像能力，進而實現“電子電影”的拍攝，然而，實際上這卻異常困難。

早在2000年O. Bostanjoglo就將激光引入透射電子顯微鏡獲得了具有納秒-微米級時空分辨的電子顯微鏡，隨後“飛秒化學之父”哈邁德·澤維爾教授（Ahmed H. Zewail）又將超快透射與掃描電子顯微技術進行了大力的發展。但是，由於電子之間固有的庫倫排斥作用、光發射電子能量彌散以及系統穩定性不夠等問題導致超快電子顯微鏡的時間和空間分辨率嚴重惡化。雖然國際上多個課題組一直在進行探索與努力，但直到目前仍無法真正實現直接的“阿秒級時間尺度”與“原子-亞原子級空間尺度”的阿秒電子顯微技術。

2023年10月22日，第二十五屆中國科協在年會主論壇上發佈的2023重大科學問題、工程技術難題和產業技術問題將“如何實現在原子、電子本徵尺度上的微觀動力學實時、實空間成像？”問題選爲九大工程技術難題之一，該問題由中國科學院西安光機所阿秒中心提出、中國光學工程學會推薦，這也是目前世界共性的一大科學難題。

不過，阿秒電子顯微技術依然是當前最具前景的兼具超高時間與空間分辨能力的探測技術，阿秒光脈衝與阿秒電子脈衝的結合將使人們能夠真正實現在原子、電子本徵時空尺度上微觀粒子超快運動過程的直接可視化，獲得“電子電影”。

阿秒電子顯微技術，將電子束的超高空間分辨率與阿秒光脈衝的超高時間分辨率相結合（引自Kim, Ye-Jin, et al. Ultrafast electron microscopy visualizes acoustic vibrations of plasmonic nanorods at the interfaces. Matter 1.2 (2019): 481-495.）