问题描述

电子显微镜可以深入了解物质的最小细节，例如可以揭示材料的原子结构、蛋白质的结构或病毒颗粒的形状。然而，自然界中的大多数材料都不是静止的，而是一直在相互作用、移动和重塑。比如光与物质之间的相互作用在植物、光学元件、太阳能电池、显示器或激光器中普遍存在，其相互作用的内在本质是由光场驱动的电子运动所决定的，发生在飞秒（10-15秒）甚至阿秒（10-18秒）的超快时间尺度上以及皮米（10-12米）的超小空间尺度上。因此，为了对复杂材料中功能的微观粒子起源进行直接可视化，需要同时具备“皮米空间分辨率”与“阿秒时间分辨率”的阿秒电子成像技术，从而实现对原子、电子的运动及其相互作用规律的实时、实空间观测。然而，目前超快电子成像技术受到发射度大、亮度低、以及时间抖动、光发射电子固有的能量弥散等限制难以突破飞秒-纳米级时空分辨瓶颈。这些难题的解决可提供原子、电子在本征尺度上的微观动力学直接时空成像，将有力推动我国基础物理、新型光电子器件、超快化学、生物安全 、量子科学、清洁能源等重要科技前沿领域的发展，为我国基础研究的原始创新突破提供有效支撑。

问题背景

在微观世界，物理、化学、材料、生物等领域不再有清晰的界限，其本质都源于原子、分子、电子等构成物质微观粒子的相互作用与运动规律，特征空间和时间尺度分别为超小的皮米和超快的阿秒至飞秒量级。原子分子作为精密测量和新量子技术革命的重要载体和平台，在本征时间和空间尺度对其结构和动力学的研究具有重要科学意义。然而，目前仍然无法完全实现对这些微观粒子特别是电子的直接时空观测，严重阻碍了基础科学和重大应用领域的发展。如光驱动有机分子的阿秒动力学过程在光合作用、DNA辐射损伤等重要生物现象中如何作用？能否通过控制电子的运动影响分子中原子核的重组，进而对分子化学反应进行操控？能否探测和控制无机、有机光伏材料中的超快电荷产生和转移、界面电荷分离过程，从而进一步提升能量转换效率等。解决这些难题的关键和挑战之一在于对原子、电子态和原子核的演化同时进行时间（阿秒精度）和空间（皮米精度）域的精密测量，从而深入理解基本物质组成和动力学规律，为探索和解决在物理、化学、生物、材料以及能源等各个领域的重大科技前沿问题提供关键实验参数和手段。

最新进展（截止问题发布年度）

研究人员一直致力于探索实现更高空间与时间分辨率的新实验方法与技术。超快电子和X射线衍射、成像以及光谱学等技术的不断发展为研究人员在测量和理解物质的结构、电子、磁性和光学性质等微观动力学过程提供了越来越高的精度。其中X射线与光探针具有阿秒级时间分辨率但受到其极限波长的限制，无法实现原子尺度的空间分辨率。而电子具有更短的波长，可提供皮米级的空间分辨率。更重要的是，电子衍射不仅对原子核也对价电子分布敏感，使解析材料的原子与电子动力学成为可能，从而能够实时追踪原子、分子和纳米结构内部或附近的原子、电子运动。然而，由于电子探测存在空间电荷效应、真空色散与时间抖动等限制因素，目前超快电子衍射技术的时间分辨率仍被限制在50fs量级，而对于超快电子显微镜，更需要兼顾其时间分辨率和空间分辨率，导致目前时间分辨率限制在几百飞秒量级。为此，如何突破目前的时间分辨技术屏障，并发展同时具备阿秒时间分辨率与原子尺度空间分辨率的阿秒电子成像技术至关重要。该技术是实现在原子和电子本征时空尺度上解析和成像原子、分子和固体中发生的超快动力学过程，观测电子运动（波函数演化）及其关联的唯一手段。

重要意义

突破对原子、电子在物质中的运动的实时、实空间成像问题，从而实现对微观世界中的极端微观超快动力学过程的探测与控制，对于推动我国基础科学研究的原始创新突破，支撑重大应用需求领域的跨越式发展起到关键作用。比如在电子器件与信息处理技术中，随着半导体器件尺寸达到纳米量级，摩尔定律的失效使得以硅晶圆为代表的半导体技术发展遇到了瓶颈，极需发展新型材料以进一步突破电子器件的响应瓶颈。靠层间范德瓦尔斯力结合的二维材料以及最新发展的半导体碳纳米管结构呈现出优异光电特性，有望取代硅基材料，而在原子、电子本征的时空尺度上直接追其电荷转移和激子共振等微观研究将对未来半导体技术的突破产生重要影响。在能源科学领域，开发创新、廉价和可持续的能量转换方法是当今世界极为重要的课题之一。对光能转换和热电转换过程中涉及的电传输、热传输和能量转换过程的理解是开发具有所需特性的新材料的先决条件。尤其是理解和控制无机、有机光伏材料中的超快电荷转移、界面电荷分离、电声子以及声子耦合过程是进一步提升能量转换效率的关键。其中，最为困难的是揭示在超快激光脉冲激发的系统中控制电子自由度和振动自由度之间相互作用的基本机制。这些电子与原子核振动相互耦合，相互影响，需要同时获取时间与结构信息来获得完整的物理图像。另外，在生物医学领域，超快电荷迁移过程广泛存在，比如癌症一直是世纪难题，目前普遍认为产生原因是紫外辐射导致的DNA损伤，但受限于现有的技术手段，该推论无法得到确认。DNA分子由原子构成，那么借助阿秒电子脉冲，科学家就有可能在更微观、更基础层面看清DNA损伤内在的电子-空穴动力学微观过程，理解导致生物故障的过程，理清紫外辐射导致的DNA损伤与肿瘤癌变的生理关联，这无疑将使癌变的预防、诊断及治疗更加有的放矢。总之，阿秒电子成像技术的超高探测灵敏度与超高时空分辨率是在原子、电子本征尺度上精确掌握物质微观动力学过程的关键，可为深入理解材料相变、新材料合成、生物结构特性、超快化学反应、人工光合作用以及量子动力学等重大前沿科学问题提供不可或缺的实验手段，也是提升各个领域原始创新能力的关键。