图像的分辨率直接决定了我们认识世界的深度。例如，近视眼就无法看到较远的事物的很多细节。而在人类认识微观世界的过程中，显微镜的分辨率的提高往往会革新我们对世界的看法。但是，在材料研究中广泛使用的电子显微镜，距离理想成像仍然相去甚远，最好的也要差四十倍。在解蛋白质等生物大分子中广泛使用的冷冻电镜方面，由于生物分子很容易被电子束破坏，分辨率甚至相差更远。因此，进一步提高电镜的分辨率一直是科学家们努力的目标。

大家都知道，光学显微镜通过光学透镜聚焦可见光对样品成像。而由于可见光波长较长，分辨率只能达到几百纳米。用电子做显微镜来成像是基于量子力学的波粒二象性，也就是说，可以把通常认为是粒子的电子看成一种波，这样电子就可以类比可见光用来成像。1933年，Ernest Ruska发明了第一台电镜，并因此获得了1986年诺贝尔物理学奖。

电子显微镜到底有多厉害？

电镜有很多种，常被用来研究原子结构图像的是透射电镜。我们的最新研究就是使用的透射电镜。这种电镜一般使用很高能量的电子，电子速度可达光速的一半。其成像原理是，当电子在经过材料时，由于散射效应，电子的路径和分布会被改变，探测穿透材料的电子分布，就能够得到材料的微观结构图像。在经过了近九十年发展后，透射电镜已经成为一种非常先进的实验平台，集成各种电子设备和探测器，可以获取各种类型材料的微观结构和化学组成等信息。

由于分辨率的极限取决于波长，电子的波长远小于可见光的波长，因此，电镜发明后不久，分辨率就超越了最好的光学显微镜。随后，电镜的分辨率提高很快，到上世纪七八十年代，实现了直接观测单个原子。然而，电磁透镜对电子的聚焦并不完美，存在很大的像差（相对于原始被成像物体，成像系统得到的图像存在畸变和模糊等差异），电镜的分辨率远未达到波长决定的极限。

但是，自2008年分辨率达到略好于0.05纳米之后的十年，电镜的分辨率仅有非常小的提高。而进一步提高分辨率非常困难，需要设计新的复杂透镜系统，并且要求非常稳定的电磁信号和环境系统，甚至需要担心量子扰动。

电子显微镜到底有多厉害？首先它主要分为两种类型：扫描电子显微镜，可以用来观察物体表面的细节，其最大分辨率有1nm，另一种是透射电子显微镜，它可用于放大材料的内部结构，就像使用X射线拍摄胸片一样。

我们可以利用显微镜来观察芯片的纳米晶体管或者细胞线粒体内的蛋白质，而最先进的分辨率高达50皮米，大约是一个氢原子的大小。电子显微镜的基本原理就是将电子加速到光速的70%左右，并经过一系列的磁透镜后聚焦到样本上，电子束会根据内部材料和密度的不同而发生散射，它们再经过成像系统进行放大就可以被底部的高分辨率传感器捕捉到。

提高电镜分辨率的途径探索

早在1969年，Hopper, W. 提出了另外一种基于衍射的成像理论。在材料中，由于干涉效应，衍射盘重叠产生的强度强弱变化包含了材料结构的相位信息，因此，可以利用某种数学方法从衍射图反解出实空间的结构。这种方法就是我们最近的研究所采用方法的起源，称为ptychography，这个英文词来源于希腊文“折叠”，因此在这里翻译为层叠衍射成像技术。

层叠衍射成像技术的最大优势在于，理想情况下，不需要使用用于成像的电磁透镜，因此也称为无透镜成像技术。该方法其实也提供了一种非常有效的突破成像透镜像差对分辨率限制的途径。在X射线成像领域，由于物理透镜的加工技术所限，进一步提高分辨率非常困难，而可以比较容易提高分辨率的层叠衍射成像非常有用，因此，在很多同步辐射中心都建有专门的利用层叠衍射成像的线站。但是，在电镜中，由于受到成像系统稳定性，以及二维面探测相机在读取速度和动态范围等方面的制约，这种技术在电子显微学领域没有得到广泛关注。

该技术的实验设置是通过移动电子束扫描样品，记录从不同位置得到的衍射图，得到包含位置和动量信息的四维数据。由于这种汇聚束衍射图的中心透射斑非常强，衍射斑非常弱，强度差很容易高达上千倍，这样就要求探测相机具有非常大的动态范围和非常高的灵敏度。并且需要在原子尺度保持稳定性，因此也要求相机的读取速度足够快。同时满足这些条件的相机在技术实现上是非常困难的。

后来，康奈尔大学的David Muller教授和Sol Gruner教授课题组就开始合作研发用于衍射成像的二维面探测相机。最开始进展并不顺利，第一台相机直接使用用于探测X射线的芯片，只实现了快的读取速度和高的灵敏度，非但没有实现高的动态范围，甚至无法承受高能电子束辐照，很快就被电子束破坏而无法继续工作。

为了突破这一点，新一代的电镜像素阵列相机（EMPAD）改进了设计，于2015年正式安装于电镜中。EMPAD具有一到一百万电子的超大的线性响应范围，噪声小于一百四十分之一个电子，具有完全的单电子灵敏度，读取速度可达1100帧每秒，使其非常适合扫描衍射成像。在开始的应用中，David Muller课题组利用该相机，采用纳米束衍射技术，实现了二维材料超高精度应变测量和铁电体极化等成像。

突破时空分辨率的极限挑战

超高时空分辨显微成像技术是一类旨在突破传统显微镜分辨率极限的先进成像方法。传统光学显微镜受到衍射极限的限制，无法观察到小于光波长一半的细节，从而限制了对微小结构和事件的观察。

超高时空分辨显微成像技术采用一系列创新性的方法和技术，通过优化光场、样品处理、检测系统以及图像处理等方面，以获得更高的分辨率和更精细的空间、时间信息。所以什么是超高时空分辨显微成像技术？这种技术如何帮助我们处理图像，突破传统？

阿秒之于人类，既难以感知，又难以捕捉，但它却对物理、信息科学等多个研究领域都有着极其重要的意义。打开阿秒的大门，微观世界的奇妙正在等着我们。阿秒作为一个时间单位，1 阿秒=10^-18 秒，这是什么概念呢？一秒中之内的阿秒数，和宇宙诞生以来的秒数相同。更具体地来说，一道光从一间寻常大小房间的一端传播到另一端的墙上，这需要上百亿阿秒。真空中，光在一阿秒内能够前进的距离大约是 0.3 纳米。

一只小小的蜂鸟每秒能够拍打翅膀 80 次，在人类眼睛看来，蜂鸟的翅膀则是一片模糊的影子。要想得到一张飞行中的蜂鸟翅膀照片，需要高速摄影以及速度与之相匹配的照明技术的支持。同样地，在微观世界中，当电子在原子之间移动时，它的位置和能量是以阿秒时间量级变化的。要想探查电子的运动状态，给电子“拍视频”，那这肯定离不开阿秒激光脉冲的助力。阿秒激光脉冲，就是持续时间在阿秒量级的一个闪光。它的出现，推开了微观世界的一道新大门，这意味着人们研究物质结构的能力上到了一个新的层面，基础物理学的研究领域也因此掀起了一股新风潮。

想要观察到电子运动带来的电磁场变化，不仅仅需要足够快的闪光灯，还需要分辨率达到原子尺度的显微镜——透射电子显微镜。电子显微镜能够对观察样品的原子结构进行成像。目前，最高分辨率的电子显微镜分辨率可以达到 0.5 埃（0.05 纳米）。“阿秒光脉冲+透射电子显微镜”，这样的组合意味着电子的行踪在阿秒电子显微镜的眼皮底下无处可藏！

2023 年，《自然》杂志上的一篇文章报告了利用阿秒电子显微镜观测激光照射物体时，物体表面电子的运动过程。在这一实验中，科学家利用阿秒激光脉冲，将电子束调制成为了一系列时间在阿秒量级的电子脉冲，脉冲冲击样本后所产生的各类信号，经过能量过滤器去除噪声后，记录下电子运动所产生的电场照片，进而得知电子的运动状态。

精密测量电子的运动，实现对其物理性质的理解，进而控制原子内电子的动力学行为是人们追求的重要科学目标之一。有了阿秒脉冲，我们就能测量甚至操纵单个微观粒子，进而对微观世界，进行更基础更具有原理性的观察和描述。纵观自然科学的发展历程，不难发现人类对于微观世界的探索从未停歇。在技术飞速进步的今天，我们拥有了更多的手段与工具去开启微观世界的大门。尽管探索仍在路上，但微观世界的热闹，终将被人们知晓。