可見光顯微鏡使科學家能夠看到微小的物體，例如活細胞。但是，他們無法分辨電子如何在固體原子之間分布?，F(xiàn)在，羅斯托克大學極限光子學實驗室的Eleftherios Goulielmakis教授和德國Garching的馬克斯·普朗克量子光學研究所的研究人員以及中國科學院北京物理研究所的研究人員已經(jīng)發(fā)展起來克服了這一局限性的一種新型光學顯微鏡，稱為Picoscope。

研究人員使用了強大的激光閃爍以照射晶體材料薄膜。這些激光脈沖使晶體電子快速擺動。當電子從周圍的電子反彈時，它們發(fā)出光譜中最紫外線部分的輻射。通過分析這種輻射的性質(zhì)，研究人員組成了圖片，這些圖片說明了電子云如何以數(shù)十皮米(十億分之一毫米)的分辨率分布在固體晶格中的原子之間。實驗為新型的基于激光的顯微鏡鋪平了道路，該顯微鏡可以使物理學家，化學家和材料科學家以前所未有的分辨率觀察微觀世界的細節(jié)，從而理解并最終控制材料的化學和電子特性。

數(shù)十年來，科學家一直使用激光閃光來了解縮影的內(nèi)部運作。這樣的激光閃光現(xiàn)在可以跟蹤固體內(nèi)部的超快速微觀過程。盡管如此，它們?nèi)詿o法在空間上解析電子，即無法看到電子如何占據(jù)晶體中原子之間的微小空間，或者它們?nèi)绾涡纬蓪⒃颖３衷谝黄鸬幕瘜W鍵。一百多年前，恩斯特·阿貝(Ernst Abbe)發(fā)現(xiàn)了原因?？梢姽庵荒鼙鎰e尺寸與其波長(大約幾百納米)相當?shù)奈矬w。但是要看到電子，顯微鏡必須將其放大倍數(shù)提高數(shù)千倍。

為了克服這一局限，古利爾馬基斯(Goulielmakis)和同事采取了不同的方法。他們開發(fā)了一種能產(chǎn)生強大激光脈沖的顯微鏡。他們稱他們的設(shè)備為光鏡。該小組的研究員哈西特·拉克霍蒂亞(Harshit Lakhotia)表示：“強大的激光脈沖可以迫使晶體材料內(nèi)部的電子成為其周圍空間的攝影師。”

當激光脈沖穿透晶體內(nèi)部時，它可以捕獲電子并將其驅(qū)動為快速擺動運動。Lakhotia說：“隨著電子的運動，它會感覺到周圍的空間，就像汽車會感覺到崎road不平的路面不平一樣?！?當激光驅(qū)動的電子越過其他電子或原子形成的凸起時，它減速并以比激光器高得多的頻率發(fā)射輻射?！巴ㄟ^記錄和分析這種輻射的性質(zhì)，我們可以推斷出這些微小凸起的形狀，并且可以繪制出顯示電子密度的圖片。Extreme Photonics Labs的博士研究員Hee-Yong Kim說：“晶體中的晶體是高是低?！奔す庹障喾ńY(jié)合了窺視X射線等大量材料以及探測價電子的能力。后者可以通過掃描隧道顯微鏡來實現(xiàn)，但只能在表面上進行?！?/p>

北京物理研究所的孟勝生和研究小組的理論固態(tài)物理學家說：“有了能夠探測的價電子密度，我們也許很快就可以對計算固體的性能進行基準測試。狀態(tài)物理工具。我們可以優(yōu)化現(xiàn)代最先進的模型，以更精細的細節(jié)預(yù)測材料的性能。這是激光顯微技術(shù)帶來的令人興奮的方面。”

現(xiàn)在，研究人員正在進一步開發(fā)該技術(shù)。他們計劃在三個維度上探測電子，并進一步使用包括二維和拓撲材料在內(nèi)的各種材料對方法進行基準測試。Goulielmakis說：“由于激光象素技術(shù)可以很容易地與時間分辨激光技術(shù)結(jié)合使用，因此有可能很快就可以記錄材料中電子的真實電影。這是超快科學和物質(zhì)微觀領(lǐng)域一個長期的目標?！?/p>