作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 无激光UEM系统
(一)无激光UEM概念设计示意图
显示了集成了射频驱动脉冲发生器系统和用于样品激发的倍频、延迟控制射频电路的透射电子显微镜
脉冲发生器插在电子枪和标准柱状透镜之间
插图显示了脉冲发生器的示意性设计，它由两个行波金属梳状带状线元件组成:调制器K1和解调器K2，它们之间有一个斩波孔径
调制器K1将连续电子束扫过斩波孔径，以在每个射频周期中产生两个电子脉冲，而解调器K2补偿脉冲上K1引起的横向动量，以进一步校正斩波束的形状
(二)我们自制的无激光UEM系统的照片，该系统是基于JEM-2100洛伦兹透射电子显微镜
显示了在电子枪和标准柱透镜之间插入射频驱动脉冲发生器的透射电子显微镜和连接的射频源
插图显示了调制器K1、解调器K2和脉冲发生器内部斩波孔径的图片
图片来源:付，南开大学物理学院
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
abc3456 飞秒激光可以与电子显微镜集成在一起，实时和空间地直接成像材料中的瞬态结构和形态
在一份新的报告中，傅和一组科学家在凝聚态物理，微系统，纳米技术和材料科学在中国和美国
S
开发了无激光超快电子显微镜(UEM ),提供了类似的潜力，但没有必要的飞秒激光或复杂的仪器修改
该团队创造了皮秒电子脉冲来探测动态事件，方法是用射频驱动的脉冲发生器切割连续光束，脉冲重复频率可在100兆赫至12千兆赫之间调谐
他们在这项工作中首次研究了千兆赫电磁波传播动力学作为应用，并揭示了在纳米空间和皮秒时间尺度上的瞬态振荡电磁场，具有时间分辨极化、振幅和局部场增强
这项研究展示了无激光超快电子显微镜(UEM)在多学科研究的真实空间可视化中的应用——特别是在与信息处理技术相关的电动装置中
这项研究工作现在发表在《科学进展》杂志上
现代电子显微镜和无激光超快电子显微镜 由于高能电子束的皮米波长、像差校正和直接检测技术的进步，现代电子显微镜可以让研究人员获得原子分辨率的物质图像
该方法是横跨材料科学和生物学的中心工具，与电子晶体学、断层摄影和低温单粒子成像的进步一起
传统上，显微镜的电子束由热离子或场发射过程产生，并且由于传统电子探测器的固有限制，这种电子源产生静态图像或长时间间隔捕获的图像
因此，先进的电子显微镜需要更强或更高的时间分辨率来研究超出检测器极限的物理和化学转变的反应路径
在这部作品中，傅等人
通过结合原型射频驱动电子束脉冲发生器，开发了无激光超快速电子显微镜，以产生重复频率在100兆赫至12千兆赫范围内可调的短电子脉冲
这种方法将允许研究人员记录超快图像，并检测不同的结构转变模式
数值模拟实验中使用的具有相同几何形状和材料的两个交叉梳的微带的样本建模
学分:科学进步，doi: 10
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abc3456 使用这种方法，研究小组优化了脉冲发生器的输入射频功率和频率，以在仪器中实现10皮秒的时间分辨率，并使用相同的宽带可调射频信号来促进样品激发
在研究超快动力学能力的最初演示中，傅等
对具有两个叉指梳的微带样品(射频微机电系统的基本构件)中的电磁波传播动力学进行了泵浦探针研究
通过将实验结果与数值模拟相结合，该团队展示了千兆赫电磁波在微带样品中传播的电动力学
这种现象可以从根本上有助于大多数信息处理设备和其他成像技术的功能，这些设备和技术目前由于尺寸限制而无法成像
概念设计——新原型 在无激光UEM(超快电子显微镜)中，射频驱动的脉冲发生器系统与透射电子显微镜相连接
脉冲发生器包含两个行波金属梳带状线元件，中间有一个小的斩波孔径
当脉冲发生器由射频信号驱动时，研究小组记录了调制器中正弦电磁波的产生，同时向进入的连续电子束引入振荡横向动量反冲
该系统的斩波孔径将连续的电子束分割成周期性的电子脉冲
利用目前的设计，他们建立了一个频率范围从50兆赫到6千兆赫的宽带电磁场
科学家们在连续光束模式和脉冲光束模式下集成脉冲发生器以记录一组成像和衍射结果后，测试了透射电镜的性能
研究小组检查了两种模式下金纳米粒子的明场图像，这两种模式在强度分布和对比度方面都具有可比性
脉冲光束模式和连续光束模式之间的可比成像质量显示了新的无激光UEM原型的良好性能和多功能性
连续光束模式和脉冲光束模式成像和衍射质量的比较
在连续光束模式下获得的图像和衍射图:(1)金纳米颗粒的明场图像，(2)金纳米颗粒的衍射图，(3)VO2单晶的衍射图(沿[010]带轴)，和(4)圆形铁磁坡莫合金盘中磁涡旋的离焦菲涅耳相位图像
重复率为5的脉冲光束模式下获得的图像和衍射图案
25 GHz: (E)金纳米粒子的明场图像，(F)金纳米粒子的衍射图，(G)VO2单晶的衍射图(沿[010]带轴)，以及(H)圆形铁磁坡莫合金盘中磁涡旋的离焦菲涅耳相位图像
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abc3456 优化实验和概念验证 无激光UEM的分辨率取决于斩波电子脉冲的持续时间，而斩波电子脉冲的持续时间又取决于斩波电子束的占空比
傅等
通过独立改变输入射频功率频率和/或斩波孔径大小来改变该参数
原则上，它们可以使用更高的输入射频功率和更高的射频频率，以及更小的斩波孔径来实现更短的亚皮秒或飞秒电子脉冲，以进一步提高成像质量和分辨率
该团队随后展示了无激光UEM的超快泵浦探测测量能力，以了解运行几乎任何信息处理设备所需的振荡电流和场
傅等
首次在1200倍放大倍数下记录了叉指梳状结构中电磁传播的时间分辨图像，积分时间为1
5秒
然后，他们研究了电磁波传播动力学对激发功率的依赖性，其中振幅随着激发功率的增加而增加
在交叉梳状结构中的一个活动叉齿和两个相邻接地叉齿在5
25 GHz电磁波激发(功率~1 W)
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abc3456 模拟电场分布 为了进一步了解这些实验，傅等人
对电磁波在微带中的传播进行了数值模拟，该微带由两个具有相似几何形状和材料的叉指梳组成，并使用三维电磁有限元分析包进行了模拟
研究小组观察了在不同延迟时间内交叉梳状电极周围模拟电场分布的快照
由于样品是非磁性的，磁场的影响在实验中可以忽略不计
当电磁波传播通过被研究的交叉梳时，在交叉梳的间隙之间建立了时间振荡电场
模拟结果与实验吻合良好
两个叉指梳中电磁波传播动力学的数值模拟
(一)在不同的延迟时间，有源和接地叉齿周围模拟电场分布的典型快照(在x-y平面上以中间梳状厚度投影)(电影S2)
箭头指示电场的方向，电场强度用颜色编码
(二)在一个接地点周围的三个代表性位置(P1、P2和P3)的电场Ex随时间变化的曲线图
尖齿拐角附近的场强比其他位置强，表明拐角附近的局部场强增强
(三)三个代表位置的相应电场Ey随时间变化的曲线图
在P1的电场强度几乎为零，在P3的电场强度几乎为零，这表明所建立的局部电场矢量沿光束通过方向垂直于尖齿表面
(四)电场强度|Ex|(绝对值)与沿红线位置的函数关系图，箭头(插图)靠近接地齿表面
拐角(P2位置)附近场强的急剧增加表明显著的局部场增强
插图中的场强用插图中的颜色条进行了颜色编码
学分:科学进步，doi: 10
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abc3456 通过这种方法，富和他的同事们将射频驱动的脉冲发生器和商用透射电子显微镜结合起来，设计了一种在时空上具有高分辨率的无激光超快电子显微镜
使用无激光的、傅等
研究了包含两个叉指梳的微带中千兆赫电磁波长的传播过程
该团队展示了电磁场随时间振荡的直接可视化，以揭示纳米-皮秒时间尺度上的场振幅、偏振方向和波传播，这是其他成像技术迄今无法实现的
无激光UEM提供了一个强大的途径来了解在兆赫到千兆赫频率范围内运行的小型设备中的电动力学，如无线天线、传感器和射频微机电系统(微机电系统)
进一步的优化将允许亚皮秒甚至飞秒波包实现无激光UEM的飞秒时间分辨率
这项工作将对材料物理、生物学和移动通信技术产生广泛的影响
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