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4D超高速電子顯微鏡原理、發(fā)展、貢獻(xiàn)4D超高速電子顯微鏡原理
四維超高速電子顯微鏡的發(fā)展 在醫(yī)學(xué)的應(yīng)用是從貓咪開(kāi)始
4D顯微技術(shù)這種尖端科技，雖然是以先進(jìn)的雷射裝置和量子物理為基礎(chǔ)，但許多運(yùn)作原理可由科學(xué)家100多年前開(kāi)發(fā)的停格動(dòng)畫(huà)攝影術(shù)加以說(shuō)明。其中最重要的是1890年代法蘭西學(xué)院教授馬雷研究快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，在移動(dòng)的物體和攝影感光片(或感光條)之間，放置有狹縫的旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)，產(chǎn)生類似現(xiàn)代動(dòng)畫(huà)拍攝方式的連續(xù)曝光影像。在其它研究中，馬雷研究貓落下時(shí)如何自己將身體回正，因此能以四腳著地。在沒(méi)有東西可以依靠的狀況下，貓如何憑借本能完成這樣的特技而不違反牛頓運(yùn)動(dòng)定律？貓落下和腿部揮動(dòng)的總時(shí)間不到一秒鐘，如果沒(méi)有其它輔助方式，人類沒(méi)辦法看清楚整個(gè)過(guò)程。馬雷的停格快速攝影揭露了答案。貓是讓身體的前半部和后半部朝相反方向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)先伸長(zhǎng)腿部再縮回。高空跳傘員、舞者和航天員也必須學(xué)習(xí)類似的動(dòng)作，讓身體旋轉(zhuǎn)。另外一種頻閃攝影技術(shù)，則是以短暫的閃光捕捉發(fā)生時(shí)間極短、難以用機(jī)械快門(mén)捕捉的事件。閃光可讓偵測(cè)裝置(例如人眼或底片)暫時(shí)看見(jiàn)在黑暗中移動(dòng)的物體。20世紀(jì)中葉，美國(guó)麻省理工學(xué)院的艾杰頓開(kāi)發(fā)出的電子裝置，可重復(fù)產(chǎn)生穩(wěn)定且持續(xù)僅數(shù)微秒的閃光，為頻閃攝影技術(shù)帶來(lái)大幅進(jìn)步。
貓落下實(shí)驗(yàn)則需要夠短的快門(mén)時(shí)間或頻閃閃光，才能將正在動(dòng)作中的動(dòng)物清楚地拍攝下來(lái)。假設(shè)貓被放下之后0.5秒內(nèi)可將身體回正，那一瞬間貓的落下速度為每秒5公尺，如果使用持續(xù)1毫秒的閃光，貓?jiān)诿看纹毓庵H落下的距離不會(huì)超過(guò)5毫米，因運(yùn)動(dòng)而造成的影像模糊不會(huì)很明顯；如果要將整個(gè)過(guò)程拍成10個(gè)畫(huà)面，必須每隔50毫秒拍攝一張相片。如果我們想觀察的不是貓而是分子，頻閃閃光應(yīng)該要有多短？分子或材料結(jié)構(gòu)內(nèi)的許多變化可以歸因于原子移動(dòng)了數(shù)埃。要清楚呈現(xiàn)這類運(yùn)動(dòng)，空間分辨率必須小于1埃。在這類變化中，原子通常以每秒1000公尺的高速移動(dòng)，頻閃閃光必須短于10飛秒，影像分辨率才可小于0.1埃。在1980年代，研究人員就曾使用飛秒激光脈沖測(cè)量原子移動(dòng)相關(guān)的化學(xué)程序，但是沒(méi)有拍攝原子在空間中的位置，因?yàn)榭梢?jiàn)光的波長(zhǎng)是分子或材料中原子間距的數(shù)百倍。高速電子很早就用來(lái)呈現(xiàn)原子尺度的影像，但目標(biāo)物必須固定不動(dòng)，同時(shí)拍攝必須持續(xù)數(shù)微秒之久，依相機(jī)速度而定。因此，我們想拍攝的原子尺度影片必須具備電子顯微鏡的空間分辨率，同時(shí)還要有飛秒等級(jí)的電子脈沖，才能“照亮”目標(biāo)。這種照亮目標(biāo)的電子團(tuán)稱為“探測(cè)脈沖”。
還有一個(gè)問(wèn)題是動(dòng)作的計(jì)時(shí)，也就是取得動(dòng)作開(kāi)始的確定時(shí)間點(diǎn)。如果所有探測(cè)脈沖都是在動(dòng)作開(kāi)始之前或結(jié)束之后才拍攝，當(dāng)然不可能拍到可用的影像。拍攝貓的動(dòng)作時(shí)，機(jī)器通常是從釋放貓咪的那一瞬間開(kāi)始動(dòng)作；以超高速拍攝時(shí)，則得使用稱為計(jì)時(shí)脈沖的飛秒起始脈沖觸發(fā)對(duì)材料或程序的探測(cè)過(guò)程。即使探測(cè)脈沖和計(jì)時(shí)都在掌握之中，另外還有同步問(wèn)題存在。典型的超高速實(shí)驗(yàn)在這方面和貓落下實(shí)驗(yàn)有相當(dāng)大的差異。如果一切都依照計(jì)劃順利進(jìn)行，馬雷只需拋下一只貓咪，而且只需一次就可完成實(shí)驗(yàn)。即使連續(xù)曝光的起始點(diǎn)比釋放貓咪略慢，比如說(shuō)差距5、10或17微秒，其實(shí)沒(méi)有什么差別。但是，超高速顯微技術(shù)可能需要在每次計(jì)時(shí)脈沖中，探測(cè)數(shù)百萬(wàn)個(gè)原子或分子，或是重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)千次再組合成完整影像。想象一下，如果馬雷每次放下貓咪時(shí)，只能拍攝整個(gè)畫(huà)面中的一長(zhǎng)條垂直部份，他會(huì)怎么做？為了將一連串部份畫(huà)面組合成完整的貓落下相片，他必須重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每次拍下位置略有差異的長(zhǎng)條垂直畫(huà)面。要將這么多長(zhǎng)條畫(huà)面正確組合成有意義的完整影像，必須每次都以相同的初始狀態(tài)拋下貓，并且每次都仔細(xì)讓釋放動(dòng)作和快門(mén)開(kāi)啟以相同的方式同步運(yùn)作。初始狀態(tài)的長(zhǎng)度精確性必須達(dá)到貓?bào)w型的數(shù)分之一，時(shí)間同步的精確性則必須小于快門(mén)開(kāi)啟的時(shí)間。同樣的，在原子或分子的超高速攝影中，初始狀態(tài)的分辨率必須低于1埃，計(jì)時(shí)和探測(cè)脈沖彼此時(shí)間差的精確度則必須低于飛秒。探測(cè)脈沖相對(duì)于計(jì)時(shí)脈沖的時(shí)間調(diào)整，是沿著一條長(zhǎng)度可調(diào)整的路徑，送出兩種脈沖的其中之一所得到的(以距離差距造成時(shí)間的差距)。對(duì)于以光速行進(jìn)的脈沖而言，要以1微米的精確度來(lái)設(shè)定路徑長(zhǎng)度，對(duì)計(jì)時(shí)而言，相當(dāng)于3.3飛秒的精確度。
我們還有一個(gè)基本問(wèn)題必須克服，才能以電子拍攝影片。電子和光子不同，電子帶電而彼此互相推斥，將許多電子擠壓成脈沖，會(huì)破壞時(shí)間和空間分辨率，因?yàn)殡娮拥某饬?huì)使脈沖分崩離析。1980年代，德國(guó)柏林科技大學(xué)的波斯坦喬格羅以僅有一億個(gè)電子的脈沖拍攝影像，但分辨率不超過(guò)納秒和微米。
我的研究團(tuán)則隊(duì)運(yùn)用先前的超高速電子繞射研究成果，開(kāi)發(fā)出單一電子攝影技術(shù)，完成了這個(gè)挑戰(zhàn)。每個(gè)探測(cè)脈沖僅有一個(gè)電子，在拍成的影片中只會(huì)形成一個(gè)小光點(diǎn)。但由于每個(gè)脈沖的計(jì)時(shí)都相當(dāng)精準(zhǔn)，同時(shí)具有“同調(diào)性”，因此許多光點(diǎn)可以組合成完整的物體影像。同調(diào)性會(huì)造成一項(xiàng)代表量子力學(xué)怪異性的現(xiàn)象：一個(gè)電子同時(shí)穿過(guò)兩個(gè)狹縫，然后在偵測(cè)屏幕上的任意位置形成單一光點(diǎn)，但是所有光點(diǎn)組合成干涉波特有的明暗條紋圖形，是可以預(yù)測(cè)的。
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