超快電子顯微鏡為開發新的量子設備帶來關鍵性的發現

據外媒報道，美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室的科學家們發現，當接近石墨烯的邊緣時，黃金的納米粒子會有不同尋常的表現。這可能對開發新的傳感器和量子設備有很大影響。

這一發現是通過阿貢國家實驗室的納米級材料中心（CNM）新建立的超快電子顯微鏡（UEM）實現的，該中心是美國能源部科學辦公室的用户設施。超快電子顯微鏡能夠對納米尺度的現象進行可視化和調查，而且時間範圍小於一萬億分之一秒。這一發現可能會在不斷增長的等離子體領域引起轟動，涉及到光照到材料表面並引發電子波，即所謂的等離子體場。

多年來，科學家們一直在追求開發具有廣泛用途的等離子體設備--從量子信息處理到光電子學（結合基於光和電子元件）到用於生物和醫療的傳感器。為此，他們將具有原子級厚度的二維材料，如石墨烯，與納米級的金屬顆粒結合起來。要了解這兩種不同類型的材料的組合等離子體行為，就需要準確瞭解它們是如何耦合的。

在阿貢國家實驗室的一項最新研究中，研究人員使用超快電子顯微鏡直接觀察金納米粒子和石墨烯之間的耦合。

阿貢國家實驗室的納米科學家劉海華（音譯）説：“表面質子是納米粒子表面或納米粒子與另一種材料的界面上由光引發的電子振盪。當我們用光照耀納米粒子時，它會產生一個短暫的等離子體場。當兩者重疊時，我們的UEM中的脈衝電子與這個短暫存在的場相互作用，電子要麼獲得能量，要麼失去能量。然後，我們用一個能量過濾器收集那些獲得能量的電子，以繪製納米粒子周圍的等離子體場分佈圖。”

在研究金納米粒子時，研究人員發現了一個不尋常的現象。當納米粒子接近一片平整的石墨烯上時，等離子體場是對稱的。但是當納米粒子被放置在靠近石墨烯邊緣時，等離子體場在邊緣區域附近集中得更厲害。

劉海華説：“這是一種了不起的新思維方式，即我們如何在納米尺度上利用光以等離子體場的形式操縱電荷和其他現象。有了超快的能力，當我們調整不同的材料和它們的屬性時，不知道我們會看到什麼。”

這整個實驗過程，從刺激納米粒子到檢測等離子體場，發生在不到幾十萬億分之一秒的時間內。

CNM主任Ilke Arslan説：“CNM在容納一個開放給用户使用的UEM方面是獨一無二的，它能夠以納米級的空間分辨率和亞皮秒的時間分辨率進行測量。有能力在如此短的時間內進行這樣的測量，就可以對我們以前沒有能力探測的非平衡狀態下的大量新現象進行檢查。我們很高興能向國際用户羣體提供這種能力。”