21世纪是材料革命的时代，近10多年来，先进材料研究成果密集涌现，随着纳米材料和量子技术的发展，人类科研进入了微观领域。电子显微镜作为研究材料微观结构及其缺陷的手段，建立起了材料结构与性能之间的内在联系，目前，高分辨电子显微镜已成为人们认识微观世界的重要工具。
随着科学研究向微观、动态、复杂化等方面的不断深入，人们发现在不同时间尺度存在着丰富的动态结构物理现象；其中，微观动力学过程的直接观测已成为物质科学和生命科学领域的重大挑战。世界各国科研人员都致力于研发新一代高时空分辨透射电子显微镜，可将时间分辨率提高至飞秒甚至阿秒，进一步在宽时域范围内直接探测原子结构和电子结构瞬态变化规律。 中国科学院物理研究所李建奇研究员，主要从事先进材料与结构分析、电子显微技术发展等领域研究工作；主要研究方向为电子显微技术的发展，包括四维超快电子显微镜研发、原位电子显微镜技术、球差校正显微镜技术和电子全息研究。现已带领团队成功研制了国内第一台时间分辨超快电镜、世界首台时间分辨冷冻超快电镜、时间分辨场发射超快电镜，球差校正超快电镜并积极推动超快电镜在前沿科学领域的应用，对结构动力学、新奇量子现象的探索和动态物理过程研究都具有重要意义。 据李建奇介绍，高时空分辨透射电子显微镜基于泵浦探测方法将超快激光（时间分辨）和电子显微镜（空间分辨）技术有机结合，电子显微镜结构经过创新设计改造后，利用紫外光聚焦到透射电子阴极上，产生超快电子脉冲；另一束激光导入超快电镜样品室，诱发动态过程，通过一个位移滑台控制两束光到达样品的时间，通过多次改变光程差，可得到相对于泵浦激光不同时间间隔的结构信息，将微观结构在原子尺度的动态过程播放出来，即可实现对样品超快动力学过程的研究。 20世纪80年代，柏林工业大学Bostanjoglo教授提出了脉冲电子成像的概念，然而直到最近十几年，人们才将超快电镜的时间-空间分辨率提升至埃-飞秒量级。2012年，在中科院科研装备研制项目的支持下，李建奇带领团队率先在国内发展超快透射电子显微技术。他们先后突破光发射电子枪改造技术、样品室改造技术、激光-电镜联机技术以及弱电子计量成像技术等技术壁垒，成功搭建了国内第一台基于热发射电子枪的超快透射电子显微镜。它具有图像功能和电子衍射功能，其图像分辨率可达3.4埃、时间分辨率可达百飞秒，现已用于纳米材料晶格动力学、光诱导磁动力学和光诱导隐含量子态的研究工作，之后相继搭建成第二代高时空分辨超快透射电镜，掌握了光场、电场、热场对光电子产生过程的影响规律，积累了超快激光-透射电镜联机系列关键部件的改造技术。同时，在发改委专项支持的怀柔“综合极端条件实验装置”建设中发展出了超快球差校正电镜新技术，为揭示功能材料中结构与物性间的关联机制、探索新奇隐含量子态提供了高性能实验平台。该设备已向国内外用户开放，为我国在超快前沿领域的研究提供支持。 此外，在北京市科学技术委员会支持下，李建奇和团队着重于材料表面载流子的超快动力学过程研究的超快扫描电镜，目前也已落地于怀柔“综合极端条件实验装置”，在国家重点研发计划和中国科学院的支持下，李建奇团队和中国科学院生物物理所合作开发了冷冻超快电镜，为研究生命科学领域的超快过程提供了可能。 李建奇表示，目前先进的高时空分辨电镜已经可以涵盖飞秒到微秒探测时域，全面揭示物质体系动力学性质，在超快结构动力学、超快磁动力学、新型隐藏量子态探索、激光场与物质相互作用、阿秒电子动力学等方面具有广泛应用前景。高时空分辨电镜的成功研制，从微观和动态两个层次探测物质结构、多自由度耦合及动力学运动规律，对探索物质科学和生命科学基本问题具有根本意义。 “工欲善其事，必先利其器”，重大科学设备的发展推动着现代科学技术的进步。目前，国际上对超快电镜技术的描述主要划分为两代，而李建奇团队已着手开展球差电镜结合的第三代超快电镜技术、超快电子显微学技术，李建奇团队已经走在了世界前列......
责任编辑：赵娜
