纳米电子器件在量子区间运行时需要在相干操纵和在原子尺度和时间跨度上的电子控制两个条件下才能运行。来自《Science》杂志的报道，采用相干控制电子在扫描隧道显微镜的隧道结进行精确的调控两个周期长（时间小于6fs）的载波包络相位。研究人员探测了光子、场驱动隧道、两个不同的光学脉冲的不同区域同隧道结的相互作用。显示出存在两个区域到另外一个区域的过渡区。研究结果显示是有在可能在原子层面且在飞秒精度范围实现诱导、追踪和控制电子的电流，提供了一个发展兆赫兹相干纳米电子学和显微学的常规方法。

做出极端的解决方案，来自马普研究所

    图解：采用将超快激光脉冲（红色）和扫描隧道显微镜相结合的手段，来自马普固态研究所的研究人员正在开展一项对量子世界进行拍摄过程的研究。他们利用激光照亮显微镜和样品之间的微小间隙。此时电子（蓝色）会克服样品和尖端之间的鸿沟。通过这个方式，，当获取诸如电子波包（蓝色的波形）在原子迟钝的空间分布的影像时，他们获得了一个在几百阿秒的尺度范围内的暂时的解决方案。

基于量子光学发展的用来追踪电子的显微镜拍摄电子运动的照片

    对于未来的电脑的运行部件可以通过高质量的影像进行保存。来自马普固态研究所的人员发展了一种显微镜可以实现极端快速的拍摄，如发生在量子尺寸的过程。这一显微镜，一种用于量子世界拍摄的高清摄像机，可以实现电子在原子尺度的运动的精确追踪。这一发现可以为人们提供一个有益的见解，进而用来发展极端快速和极端小的电子部件。

光子驱动到广场驱动电子隧道的过渡图

    发生在量子世界的过程即使是对非常有经验的物理学家来说，其研究和观察也是一项巨大的挑战。如，对于功能强大的计算机和智能手机，其不断增加的强大的处理功能的器件，不仅会发生极端快速的处理速度，同时还发生在一个极端小的空间范围内。当面对需要对其进行分析和优化其晶体管的时候，如果能够采用拍摄的电子的高清视频来观察，对物理学家来说 是一个非常有益的帮助。为了实现这一点，研究人员需要一个高速相机并将其暴露在几阿秒的电子视频的范围内。一阿秒是十亿分之一秒，在这个时间尺度范围内，光仅仅会传输到水分子大小的距离。在多少年以来，物理学家使用激光脉冲来实现了足够的短脉冲的阿秒相机。

价电子运动的时空成像

    在以前，使用阿秒相机，以阿秒智能对 电子进行快照拍照，现在，由于马普研究所的功劳，可以识别出电子的精确位置。

超快激光脉冲和扫描隧道显微镜的结合

    为了实现超快速度和极小空间的电子的拍摄，物理学家使用超短激光脉冲并结合扫描隧道显微镜实现了这一目标。扫描隧道显微镜可以通过扫描一个原子尺度大小的样品的尖端表面实现原子尺度的观察。将激光脉冲和扫描隧道显微镜结合在一起，就可以非常方便的发挥出两者的优点，并同时克服了各自的缺点。研究人员在显微镜的尖端点燃极端短的激光脉冲，从而对原子的位置进行精确定位，由此触发隧道扫描过程。结果显而易见，用于量子世界观察的高速相机诞生了，且可以获得高清的效果。

    这一技术的问世为光波电子学的发展铺平了道路，光波电子学的时间为阿秒的数百万次倍的速度。

利用激光产生的超快脉冲

    据报道，在2017年来自伦堡爱尔兰根亚历山大大学（FAU）的物理学家研究了一种可以产生超短脉冲激光的激光设备，从此人类进行可以采用电子显微镜在超快尺度进行运动的原子的观察。

参考文献：

Kübel, M., Dube, Z., Naumov, A.Y. et al. Spatiotemporal imaging of valence electron motion. Nat Commun 10, 1042 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-09036-w、Ludwig Maximilian University of Munich、University of Erlangen-Nuremberg

Kozák, M., McNeur, J., Leedle, K. et al. Optical gating and streaking of free electrons with sub-optical cycle precision. Nat Commun 8, 14342 (2017). https://doi.org/10.1038/ncomms14342

文章来源：

M. Garg et al, Attosecond coherent manipulation of electrons in tunneling microscopy, Science (2019). DOI: 10.1126/science.aaz1098

原文链接：《德科学家利用激光和STEM研制出拍摄量子世界的超快显微镜》

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