通訊單位：University of Göttingen & Max Planck Institute

DOI：10.1126/science.abd2774

背景介紹

從飛秒化學到超快凝聚態物理的研究領域，對材料的物理和化學性質進行光學控制一直是一個反覆出現的主題。這種廣泛的興趣是基於光學控制策略在例如資料儲存裝置、神經網路計算、光子電路和能量轉換等當前和未來技術中的巨大影響。同時，基礎科學的發現揭示了特定的光誘導出現的包括耦合序引數、亞穩態或隱藏態、超導、拓撲變換和金屬-絕緣體過渡等特徵和相關效應。

然而，要想透過光控制來了解材料和器件中的微觀過程，需要從實驗上捕獲奈米和飛秒級時間尺度的動力學過程。本文研究表明，如何透過對樣品後甚至樣品前的光束進行整形以增強對比度將使得人們進一步敏感地探知複雜材料的自由度，同時也將為其他型別的研究鋪平道路。

本文亮點

1、作者透過對光束進行整形開發了一種可在結構相變中繪製序引數的超快暗場電子顯微鏡(UTEM)成像技術。

2、採用量身定製的暗場孔徑陣列使作者能夠同時以飛秒尺度和5奈米的空間解析度實時跟蹤材料中電荷密度波(CDW)疇的演變，進而闡明瞭其弛豫路徑和疇壁動力學。

3、這種精心設計的光束整形引數可能有助於多相成像或對手性材料映象的同時對映，超快透射電子顯微鏡將為觀察相關材料中的奈米級動力學提供新的視角。

圖文解析

▲圖1. UTEM暗場成像

要點：

1、作者使用超短鐳射脈衝來區域性激發1T-TaS2（二硫化鉭的1T多型）薄膜，並透過超短電子脈衝對樣品的瞬態進行成像。

2、作者提出的這種利用選擇性對比度增強的獨特優勢將激發未來UTEM中的光束整形技術。

▲圖2. CDW動力學的超快暗場疇成像

要點：

1、作者演示了具有奈米空間和飛秒時間解析度的CDW相的真實空間成像。

2、透過引入量身定製的超快暗場（DF）電子顯微鏡方案，作者獲得了原型CDW系統中的序引數圖。

▲圖3. 連續波鐳射激發的暗場疇成像

▲圖4. 光誘導階躍引數動力學的時間分辨Ginzburg-Landau模擬

要點：

1、作者觀察到了光激發後CDW疇的形成、穩定和弛豫，並確定了連續波和脈衝輻射形成的疇壁模式之間的巨大差異。

3、這些可能性包括瞬態聲子種群的成像，尤其是對CDW材料中振幅和相位模式的視覺化。

此外，對這些材料電荷序列中拓撲缺陷空間分辨的研究可能會導致對相形成動力學更深入的瞭解。

原文連結：

https://science.sciencemag.org/content/371/6527/371

作者簡介

Claus Ropers

Claus Ropers, 德國哥廷根大學（University of Göttingen）教授，馬普所超快動力學系主任，電鏡領域大牛，主要進行奈米光學和超快動力學研究。 曾獲得柏林物理學會的卡爾·拉姆紹爾獎，德國物理學會的沃爾特·肖特基獎，科隆·威廉科學獎，恩斯特·魯斯卡獎和德國研究基金會的萊布尼茲獎。

更多介紹：

https://www.mpibpc.mpg.de/17294819/pr_2010