短电子脉冲激发材料中底层电子，在激光激发后显示出结构动力学图像。（来源：Zewail实验室/加州理工学院）

原子尺寸级别的材料中电子在纳米世界中不停地扭动、颤动、无序地迁移，一种这些电子结构图像化的技术在加州理工学院得到了显著的发展。这里的科学家们首次将两种已有的方法结合，将一片石墨薄膜的结构动力学进行了图像化。

科学家们的方法本周发表在AIP出版和美国结晶学会的杂志《结构动力学》上，他们的方法结合了一种名为“核心损失谱”的专门的结构化分析技术和另一种称为超快四维（4-D）电子显微镜的方法，超快四维（4-D）电子显微镜是一种由加州理工学院实验室的诺贝尔奖获得者艾哈迈德·兹韦勒开创的技术。

在核心损失谱中，高速电子探针能够选择性地激发材料中特定原子的核心层电子（核心层电子是与原子核结合最紧密的电子）。可以通过核心层电子获得的能量的大小了解局部电子结构，但这项技术受限于它能达到的时间分辨率——这项技术对于迅速的催化反应太慢了。通过高能电子脉冲去探测样品，4-D电子显微镜也可以显示材料一段时间内的结构动力学。

将这两种技术结合使得研究团队能够运用超高时间分辨率精确跟踪电子结构中一段时间内的局部变化。

“在这项工作中，我们首次证明了可以探测具有超过100eV的高结合能深层核心电子，”这项新研究的的一个作者Renske van der Veen说。“我们装备了超高速探测工具，这种工具可以探测像光催化纳米颗粒的弛豫过程，纳米级材料中的光致相变或者表面上的电荷转移动力学。”

将两种技术集合在一个台式设备上

两种技术的结合非常具有挑战性。因为电子相互排斥，只有那么些电子可以被打包进一个脉冲。当你缩短每个脉冲来增加时间分辨率时，每个脉冲包含的电子就更少，探测电子和核心电子相互作用的概率就会降低。尤其在激活深层核心电子（第1和第2个电子层）所需的高能级，“电子信号必须由许多电子包进行整合很长时间。”van der Veen说。

研究人员在石墨薄膜上测试了他们的技术，证明激发激光导致平面结构中皮秒（千亿分之一微秒）时间级别的碳碳键延长和π-π*能带的收缩。

核心损失谱在某些方面与X-射线吸收谱相似，但是具有几项关键优势。“用X-射线，研究单个纳米物体和材料的原位原子级图像非常具有挑战性。在这方面，电子显微镜中的超高速核心损失谱显示出巨大的优势。成像、衍射和光谱全都结合在同一个台式设备里；同一个样品的补充信息可以很容易得到。”van der Veen说。

单个原子的超高速动力学进行成像的能力在研究科学定律方面具有广泛的用途，不管实在材料科学还是生物学方面。研究人员希望未来“脉冲电子源和探测方法”的发展会使他们的技术能够应用在更先进的实验中。

新材料在线编译整理——翻译：田云   校正：摩天轮