量子怪异如何改善电子显微镜

UO CAMCOR设施的扫描电子显微镜。物理学家本·麦克莫伦（Ben McMorran）和他的团队提出了一种提高研究工具性能的方法。图片来源：俄勒冈大学

量子怪异为电子显微镜打开了新的大门，电子显微镜是用于高分辨率成像的强大工具。

UO物理学家Ben McMorran实验室的两项新进展正在改进显微镜。两者都来自利用量子力学的一个基本原理：电子可以同时表现得像波和粒子。这是许多奇怪的量子级怪癖的例子之一，其中亚原子粒子的行为方式似乎违反了经典物理学定律。

其中一项研究找到了一种在显微镜下研究物体而不与之接触的方法，从而防止示波器损坏易碎样品。第二种方法设计了一种同时对样品进行两次测量的方法，从而提供了一种研究该物体中的粒子如何跨越距离进行潜在相互作用的方法。

麦克莫伦和他的同事在两篇论文中报告了他们的发现，这两篇论文都发表在《物理评论快报》杂志上。

“在不影响它的情况下观察某件事通常很困难，特别是当你看到细节时，”麦克莫伦说。“量子物理学似乎为我们提供了一种在不破坏事物的情况下更多地看待事物的方法。

电子显微镜用于近距离观察蛋白质和细胞以及非生物样品，如新型材料。电子显微镜不是在更传统的显微镜中使用的光，而是将电子束聚焦在样品上。当光束与样品相互作用时，其某些特征会发生变化。探测器测量光束的变化，然后将其转换为高分辨率图像。

但是这种强大的电子束会对样品中的脆弱结构造成损害。随着时间的推移，它可能会降低科学家试图研究的细节。

作为一种解决方法，麦克莫伦的团队使用了1990年代初发表的一项思想实验，该实验提出了一种在不触摸敏感炸弹的情况下检测敏感炸弹的方法，并冒着引爆它的风险。

这个技巧依赖于一种称为衍射光栅的工具，这是一种带有微观狭缝的薄膜。当电子束撞击衍射光栅时，它会被一分为二。

通过正确排列这些束分裂衍射光栅，“电子进入并被分成两条路径，但随后重新组合，使得它只进入两个可能的输出之一，”麦克莫伦实验室的研究生Amy Turner说，他领导了第一项研究。“这个想法是，当你放入样品时，电子与自身的相互作用会被中断。

在这种设置中，电子不会像在传统的电子显微镜中那样击中样品。相反，电子束重新组合的方式揭示了范围内有关标本的信息。

在另一项研究中，McMorran的团队使用类似的衍射光栅设置同时在两个地方测量样品。他们分裂电子束，使其通过小金颗粒的两侧，测量电子转移到每侧粒子的微小能量。

这种方法可以揭示有关样品的敏感原子级细微差别，了解粒子在样品中相互作用的方式。

“关于这一点的特别之处在于，你可以查看它的两个独立部分，然后将它们组合在一起，看看它是否是集体振荡，或者它们是否不相关，”劳伦斯伯克利国家实验室的博士后研究员Cameron Johnson说，他在麦克莫伦的实验室做了博士工作并领导了这项研究。“我们可以超越显微镜能量分辨率的限制，并超越通常无法达到的探头相互作用。

虽然这两项研究正在进行不同类型的测量，但它们使用相同的基本设置，这被称为干涉测量。McMorran团队的成员认为，他们的工具可以在他们自己的实验室之外有用，用于各种不同类型的实验。

“这是同类中的第一个电子干涉仪，”特纳说。“人们以前使用过衍射光栅，但这是一个功能性，灵活的版本，可以针对不同的实验进行调整。

McMorran说，有了正确的材料和说明，该装置可以添加到许多现有的电子显微镜中。他的团队已经引起了其他实验室的研究人员的兴趣，他们希望在自己的显微镜中使用干涉仪。

“电子显微镜让我们可以在原子尺度上观察物体，但很多东西都很难看到，比如对电子来说相当不可见且容易损坏的生物材料，”麦克莫伦补充道。“但在这里，我们表明，我们可以利用电子的量子波特性来帮助解决这些问题，并深入了解这些电子波如何与光等电磁场相互作用的基本性质。