Broadband radio-frequency TEM specimen holders for in situ biasing excitation and 100-ps-scale electron beam control
本文介绍了自制宽带射频透射电子显微镜（TEM）样品台的开发与表征，该样品台能够实现纳米器件的 GHz 级电激励和亚纳秒级的电子束控制，为未来全电驱动的泵浦-探测实验建立了一个通用的平台。
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要理解这里所描述的工作，人们首先不能仅仅将电子显微镜视为一台拍摄微小物体极清晰照片的照相机，而应将其视为一种也能观察这些物体在工作时如何移动和变化的工具。几十年来，科学家们一直利用这些显微镜来研究材料在其自然状态下，或是在热或压等条件下的状态。最近，他们增加了在样品位于机器内部时对其施加电力的能力，从而使他们能够观察纳米级器件在开启时的行为。然而，这些实验大多局限于缓慢、稳定的电信号，就像是持续流动的流水。许多现代设备，例如我们手机中的处理器或计算机中的磁存储器，其运行速度每秒会发生数十亿次变化。为了真正理解这些设备是如何运作的，科学家需要看到它们对开关切换速度与现实生活中一样快的电信号做出反应。挑战在于，如何在不失真的情况下，将这些极快的电信号引入显微镜的真空环境中，这极其困难，就像是试图通过一根长而缠绕的软管向外喊话传递复杂信息，却不希望声音变得模糊或延迟一样。
法国的一个研究小组现在开发出了一种新型工具解决了这个问题，它允许他们向透射电子显微镜内部的样品发送高速电信号。他们设计了一个特殊的样品台（即显微镜中抓取微小样品的部分），该样品台能够以极高的速度和清晰度传输这些信号。他们没有采用传统的将导线焊接在样品上的方法（这种方法会减慢信号并使其变得杂乱），而是创建了一个让样品通过简单的金属接触件卡入到位系统。这种设计使他们能够发送开关切换时间小于十亿分之一秒的电信号。他们通过发送每秒改变方向数十亿次的信号测试了这个系统，并发现信号到达样品时几乎与发送时完全一致，几乎没有强度或速度的损失。这意味着显微镜现在可以“看到”样品对远比以往此类设置中更快的电脉冲做出反应。
研究人员并没有止步于仅向样品发送信号；他们还利用同样的技术来控制电子束本身。在标准的显微镜中，电子束始终是开启的，就像一盏永不熄灭的手电筒。该团队制造了一个微型装置，可以充当这个束流的开关，实现快速的开启、关闭或转向。通过使用他们为样品开发的同样快速的电信号，他们能够创造出一个电子束仅在极短时间内处于活跃状态的“时间窗口”。他们演示了可以创建一个仅持续 100 皮秒的束流脉冲。为了直观理解，如果将这 100 皮秒的脉冲拉长到持续一秒钟，那么现实中的一秒钟感觉就像持续了三年。这种控制水平使显微镜能够在特定时刻对样品进行“快照”，从而捕捉到一个原本因过快而无法观察到的过程。
这项成就之所以特别显著，是因为它并没有牺牲图像质量。通常情况下，当科学家试图提高速度或使用复杂的电气设备时，得到的图像会变得模糊或失去锐度。研究人员通过拍摄微小金颗粒的照片测试了他们的新系统，发现图像与使用标准、较慢的方法拍摄的图像一样清晰且细节丰富。他们甚至使用该系统执行了一种更高级的成像技术——电子全息术，该技术用于绘制无形的磁场和电场图。他们发现，即使在电子束如此快速地闪烁开关时，显微镜仍能产生清晰、高质量的场图。这证明了快速切换并不会破坏电子携带的微妙信息。
该团队还展示了他们的系统在不同用途上的灵活性。他们制造了具有两个或四个独立通道的样品台，这意味着他们可以同时向样品的不同部分发送不同的电信号，或者甚至同时向样品和转向装置发送不同的信号。这种设置为一种新型实验铺平了道路：即机器的一个部分触发一个事件，而另一部分在几分之一秒后拍摄结果。由于该系统完全是电控的，因此避免了使用复杂的激光器或其他笨重设备的需求，而这些设备通常会让这类超快实验难以搭建。研究人员承认，他们目前的系统受限于用于产生信号的电子发生器的速度，使用更快的设备可以进一步推向极限。然而，他们的工作建立了一个坚实的基础，证明了将高速电控制与最高水平的显微细节相结合是可能的，这为观察我们世界中最快设备的内部运作机制打开了大门。
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