編輯推薦：超快透射電子顯微鏡將為觀察相關材料的納米級動力學提供新的視角。

通過光轉換控制，可了解材料和器件的微觀過程，但這需要在納米長度和飛秒時間尺度上進行動力學實驗。近日，來自德國格廷根大學&馬克斯普朗克研究所的Claus Ropers等研究者，引入超快暗場電子顯微鏡，在結構相變中映射有序參數。相關論文以題為“Ultrafast nano imaging of the order parameter in a structural phase transition”發表在Science上，更多精彩專業視頻請搜索抖音賬號：材料科學網。

論文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/371/6527/371

從飛秒化學到超快凝聚態物理，對材料物理和化學性質的光學控制，一直是個反復出現的課題。與此同時，基礎科學的發現，揭示了特定的光誘導特征和相關效應，包括耦合有序參數、亞穩態或隱藏態、超導性、拓撲變化和金屬-絕緣體轉變等。

一般來說，微觀關聯是在飛秒到皮秒的時間尺度上演化的，這是一種可以通過超快測量方法實現的機制。這種方法可以實現空間平均性質的探測，如電子間隙、光學導電性、磁化和周期性晶格和電荷密度調制的不穩定性。然而，器件的功能通常來自于納米尺度的結構或不同材料的界面。這就需要用實驗的方法，以空間相關的序參量來捕捉動態。

最近利用近場探測完成了相關金屬-絕緣體相變中，局部自由載流子響應的時間分辨映射。然而，對控制原子尺度上過渡的時空結構變化的直接敏感性，仍然是一個挑戰。超快透射電子顯微鏡（UTEM）已被證明，是研究晶格動力學的有價值的工具，但仍沒有提供結構有序參數的直接對比。

在此，研究者用納米空間分辨率和飛秒時間分辨率演示了電荷密度波（CDW）相的實空間成像。通過引入一個定制的超快暗場（DF）電子顯微鏡方案，研究者獲得了一個典型CDW系統的序參量映射。研究者利用超短激光脈沖局部激發1T-TaS2（1T-多型二硫化鉭）薄膜，并利用超短電子脈沖對樣品的瞬態成像。一個定制的暗場孔徑陣列，允許研究者以飛秒的時間分辨率和5納米的空間分辨率，跟蹤材料中電荷-密度波疇的演化，闡明了弛豫路徑和疇壁動力學。研究者觀察了光激發后CDW疇的形成、穩定和弛豫，并發現了連續波和脈沖照明下出現的疇型之間的巨大差異。

圖1 超快透射電子顯微鏡中的暗場成像。

圖2 電荷-密度波動力學的超快暗場域成像。

圖3 連續-波激光激發的暗場域成像。

圖4 光誘導序參量動力學的時間分辨Ginzburg-Landau模擬。

綜上所述，本研究說明了樣品后或者甚至樣品前束整形的對比度增強，是如何允許在復雜材料中具有更大自由度的靈敏度，為其他類型的研究鋪平了道路。這些可能性包括瞬態聲子群的成像，特別是在CDW材料中振幅和相位模式的可視化。此外，對這些材料電荷序中拓撲缺陷的空間分辨研究，可以對相形成動力學有更深入的理解。最后，波束成形參數的仔細設計，可以促進多相成像或手性鏡像域的同時映射。利用這些機會，超快透射電子顯微鏡將為觀察相關材料的納米級動力學提供新的視角。