人眼的視覺是有限的。我們無法看到比頭髮絲細得多的物體（毫米的一小部分），也無法分辨快於眨眼（十分之一秒）的運動。當然，過去一千年中光學和顯微技術的進步使我們能夠遠遠超出肉眼的極限，觀察到精美的影像，例如病毒的顯微照片或子彈在毫秒內穿透燈泡的頻閃照片。但是，如果我們看到一部描繪原子晃動的電影，直到最近我們還可以相當肯定地認為我們看到的是卡通片、藝術家的印象或某種模擬。
在過去的10年中，我在加州理工學院的研究小組開發了一種新的成像形式，揭示了發生在原子尺寸尺度上和飛秒（百萬分之一秒的百萬分之一）時間間隔內的運動。由於該技術能夠實現空間和時間上的成像，並且基於歷史悠久的電子顯微鏡，我將其命名為四維 (4-D) 電子顯微鏡。我們已使用它來視覺化諸如寬度僅為十億分之幾米的懸臂樑的振動、石墨中碳原子片在被雷射脈衝“撞擊”後像鼓一樣振動的運動以及物質從一種狀態到另一種狀態的轉變等現象。我們還對單個蛋白質和細胞進行了成像。
四維電子顯微鏡有望回答從材料科學到生物學等領域的問題：如何從原子尺度到宏觀尺度，從自下而上的角度理解材料的行為；奈米級或微米級機器（NEMS 和 MEMS）如何運作；以及蛋白質或生物分子元件如何摺疊並組織成更大的結構，這是所有活細胞功能中至關重要的過程。四維顯微鏡還可以揭示奈米級結構的原子排列（這決定了新型奈米材料的特性），並且有可能跟蹤原子和分子中以阿秒（十億分之一秒的十億分之一）時間尺度移動的電子。隨著基礎科學的進步，潛在的應用範圍很廣，包括奈米機器和新型藥物的設計。
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運動中的貓和原子
雖然 4-D 顯微鏡是一項尖端技術，它依賴於先進的雷射和量子物理學的概念，但它的許多原理可以透過考慮科學家們一個多世紀前如何開發定格動畫攝影來理解。特別是，在 1890 年代，法蘭西公學院的教授艾蒂安-朱爾·馬雷（Étienne-Jules Marey）透過將帶有狹縫的旋轉圓盤放置在移動物體和照相底片或膠片之間來研究快速運動，從而產生了一系列類似於現代電影拍攝的曝光。
在其他研究中，馬雷研究了貓如何自我調整姿勢，使其四腳著地。在沒有任何東西可以推動的情況下，貓是如何本能地完成這種雜技般的壯舉而不違反牛頓運動定律的？墜落和腿部的慌亂不到一秒鐘——太快了，肉眼無法精確地看到發生了什麼。馬雷的定格動畫快照提供了答案，其中涉及以後肢和前肢相反方向扭動，腿部伸展和收縮。跳水運動員、舞蹈演員和宇航員學習類似的動作來轉身。
另一種方法是頻閃攝影，它依靠短促的光閃來捕捉比機械快門可能實現的更短時間尺度上發生的事件。閃光使在黑暗中移動的物體對探測器（例如觀察者的眼睛或照相底片）瞬間可見。在 20 世紀中期，麻省理工學院的哈羅德·埃傑頓（Harold Edgerton）透過開發能夠產生可靠的、重複的、微秒級閃光的電子裝置，極大地推進了頻閃攝影技術。
墜落的貓實驗需要足夠的快門時間或頻閃閃光，以便照片能夠清晰地顯示動物，儘管它在運動。假設貓在被釋放後半秒內調整好了姿勢。在那一瞬間，貓將以每秒五米的速度墜落，因此透過使用一毫秒的閃光，我們將確保貓在每次曝光期間墜落不超過五毫米，這樣貓的影像只會因其運動而略微模糊。為了將雜技動作分成 10 個快照，照片必須每 50 毫秒拍攝一次。
如果我們希望觀察分子而不是貓科動物的行為，那麼我們的頻閃閃光必須有多快？分子或材料結構的許多變化都涉及原子移動幾個埃（一埃等於 10
−10 米）。為了繪製出這種運動，需要小於一埃的空間解析度。在這些轉變中，原子通常以大約每秒一公里的速度移動，需要不超過 10 飛秒的頻閃閃光才能以優於 0.1 埃的清晰度觀察到它們。早在 1980 年代，研究人員就使用飛秒雷射脈衝來計時涉及原子運動的化學過程，但沒有對原子在空間中的位置進行成像——光的波長比分子或材料中原子之間的間距長數百倍[參見艾哈邁德·H·澤維爾的“分子的誕生”；大眾科學，1990 年 12 月]。
加速電子長期以來一直在原子尺度上產生影像——就像在電子顯微鏡中一樣——但僅限於固定位置的目標，並且在毫秒或更長時間的時間間隔內成像，這受到相機速度的限制。因此，我們尋求的原子尺度電影需要電子顯微鏡的空間解析度，但需要飛秒電子脈衝來“照亮”目標。照明電子包稱為探測脈衝。
另一個問題是運動的計時——在時間上有一個明確的瞬間，運動開始。如果所有探測脈衝都在運動開始之前或之後拍攝快照，我們將無法獲得有用的影像。在拍攝貓的照片時，記錄在貓被釋放時開始。對於超快記錄，稱為計時脈衝的飛秒啟動脈衝啟動要研究的材料或過程。
即使探測和計時都在控制之下，同步問題仍然存在。在這裡，典型的超快實驗與貓的類比截然不同。如果一切按計劃進行，馬雷可以透過一次放下貓來完成他的實驗。並且如果曝光系列在貓被釋放後 5、10 或 17 毫秒開始，也沒什麼大不了的。然而，超快顯微鏡可能會為每個計時脈衝探測數百萬個原子或分子，或者可能透過重複實驗數千次來構建影像。想象一下，如果馬雷被限制為每次貓掉落時僅捕獲視野的狹窄垂直條帶。為了建立墜落貓的完整快照系列，他將不得不重複實驗多次，每次都沿著略有不同的垂直條帶記錄。為了使各個條帶明智地組合並形成有意義的完整影像，他需要為每次掉落準備相同的起始配置中的貓，並仔細地以相同的方式將釋放與快門開啟同步。（該技術還將依賴於貓每次都以相同的方式移動。我懷疑分子在這方面比貓更可靠。）
起始配置的精度必須達到貓尺寸的一小部分，並且時間同步的精度必須小於快門持續時間。類似地，在原子或分子的超快成像中，啟動配置必須定義為亞埃解析度，並且計時脈衝和探測脈衝的相對計時必須具有飛秒精度。探測脈衝相對於計時的定時是透過沿具有可調長度的路徑傳送這些脈衝中的任何一個來完成的。對於以光速傳播的脈衝，將路徑長度設定為一微米的精度對應於將相對定時設定為 3.3 飛秒的精度。
在我們能夠用電子製作電影之前，仍然存在一個進一步的重大和根本問題需要克服。與光子不同，電子帶電並相互排斥。將大量電子擠入脈衝中會破壞時間和空間解析度，因為電子的相互排斥會使脈衝分散。在 1980 年代，柏林技術大學的 Oleg Bostanjoglo 確實使用少至 1 億個電子的脈衝實現了成像，但解析度不優於納秒和微米（後來勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員將其顯著提高到亞微米級別）。
我的小組透過開發單電子成像來應對這一挑戰，這建立在我們早期對超快電子衍射的研究基礎上。每個探測脈衝包含單個電子，因此在最終電影中僅提供單個“光點”。然而，由於每個脈衝的精確定時和另一個稱為脈衝相干性的特性，許多光點加起來形成了物體的有用影像。類似的壯舉有時表現為量子力學的特徵怪異之一：電子一次透過兩個狹縫，每個電子在檢測螢幕上的某個隨機位置貢獻一個光點。然而，所有光點加起來形成了光和黑暗的可預測圖案，這是干涉波的特徵。
單電子成像是 4-D 超快電子顯微鏡 (UEM) 的關鍵。我們現在可以製作分子和材料在響應各種情況時的電影，就像許多受驚的貓在空中扭動一樣。
解讀奈米物質
我們的首批目標之一是石墨，鉛筆中的“鉛”材料。我們選擇石墨部分是因為它是一種不尋常的材料，在核反應堆堆芯等極端環境中具有應用，並且因為它有同樣非凡的近親。石墨由以六邊形圖案排列的碳原子組成，形成讓人聯想到雞絲網的片狀結構。相對較弱的鍵將這些片狀結構堆疊在一起。用普通鉛筆書寫依賴於石墨碎片脫落並粘附到紙張上。鉛筆痕跡包括極少量科學已知的最堅硬的材料——石墨烯，它由孤立的單層碳原子片組成。研究人員正在積極研究石墨烯在各種電子應用中的應用。此外，當柔軟的石墨受到極端壓力時，其原子會重新排列形成金剛石，金剛石是已知最堅硬的物質之一。
為了研究石墨對機械衝擊的響應，我們取了奈米級石墨晶體——有些只有奈米厚，或幾層原子——並用強烈的飛秒雷射脈衝撞擊它們，這些脈衝充當我們顯微鏡的計時脈衝。每個雷射脈衝都將石墨的原子層瞬間推得更近，使它們上下振盪[參見對頁上的方框]。我們的電子顯微鏡將電子穿過這些振盪的石墨層以產生兩種圖片：真實空間影像（很像石墨表面的照片）或衍射圖案，衍射圖案是規則的點陣列，其精確配置提供了有關原子在石墨晶格中的排列和間距的資訊。特別是，我們可以透過衍射圖案中斑點的移動來跟蹤上下振盪的層。振盪的頻率約為 10 到 100 吉赫茲（10
10 到 1011 次/秒）。以前沒有成像實驗觀察到如此高頻的共振隨時間展開。
透過我們的測量，我們確定了石墨垂直於原子平面的彈性——材料如何響應作用於該方向的壓縮力或拉伸力。想象一下，石墨晶體是由彈簧連線的一堆剛性金屬板，雷射脈衝是一把巨大的大錘，撞擊頂板。我們測量了彈簧的特性。
只要我們的“相機”非常近距離地放大，金屬板類比就是合理的。但是，如果相機形象地“拉回”，則會看到更多微小的石墨晶體。現在，錘子正在撞擊頂層金屬板的一個區域，並且很明顯，這些板正在彎曲，壓縮和膨脹以波浪的形式從撞擊點向外傳播。
當我們進一步拉回相機並以更慢的速度拍攝影像時，另一種動力學現象就會出現。現在我們看到雷射脈衝如何使整個奈米薄晶體振盪，就像鼓槌敲擊鼓面一樣。我們看到，在雷射脈衝擊中後的最初幾微秒內，晶體的運動看起來是混亂的，但隨著時間的推移，整個晶體穩定下來，形成了一個明確的共振振盪——它像鼓一樣敲擊！
對於這些振盪，決定共振頻率的材料特性是石墨平面的彈性——它們對在平面中拉伸或壓縮的響應。我們發現，與將碳原子平面拉開或推到一起相比，石墨更耐受碳原子平面內的變形。可以透過考慮連線每個六邊形層中碳原子的化學鍵比連線相鄰平面的鍵強得多來解釋結果。
雖然對石墨塊狀樣本的研究產生了關於石墨彈性的類似資料，但我們獲得的資訊告訴我們更多。它解決了兩種型別的問題，這些問題對於我們理解奈米尺度材料的行為至關重要：首先，用彈性等特性描述連續介質材料的尺度在什麼長度尺度上會崩潰？其次，我們可以從長度和時間的原子尺度行為外推到重現材料已知的宏觀特性嗎？對於石墨，我們發現即使是非常奈米級的樣品（只有幾十層原子厚）也出人意料地像塊狀材料一樣表現。這種描述在石墨烯極限附近仍然有效嗎？
到目前為止，我描述的石墨電影都依賴於我們的探測電子與樣品的碰撞，在碰撞中它們不會損失能量——就像橡膠球從堅硬的東西上彈開一樣。然而，有時探測電子可能會損失能量，透過激發碳原子中的電子。能量損失量取決於原子電子所參與的鍵的型別。一種非常古老的技術稱為電子能量損失譜學，可以測量這種損失；獲得的能譜提供了有關材料中鍵合以及構成材料的化學元素的資訊。將這種方法與我們的超快電子顯微鏡結合使用，我們表明，在壓縮階段，石墨內部的鍵合向金剛石特徵鍵合型別轉變。在膨脹階段，表面原子的鍵合向石墨烯的鍵合轉變。傳統的電子能量損失譜學太慢，無法觀察到這些變化。
從懸臂樑到細胞
我的小組現在除了石墨外，還在多種材料上進行了四維顯微鏡研究。在鐵中，我們製作了衍射影像，以跟蹤晶體結構從所謂的體心立方到面心立方的變化，這一過程發生在許多工業應用中，包括鋼鐵生產中的高溫。當我們在大約一納秒內將鐵從室溫加熱到接近 1,500 開爾文時，我們看到了兩個動態過程展開。首先，面心相的斑點在晶體中相對緩慢地——在納秒時間尺度上——從鐵原子的不相干運動中發展或成核。其次，這些新相區域以聲速增長，這意味著該過程僅需皮秒（10
−12 秒）即可覆蓋熱鐵。這種快速傳播的轉變涉及許多原子以協調的方式位移，這是一種奇特的“湧現”，即晶體中大規模變化源於無數潛在的奈米級運動。理解這種現象可能會為在工業過程中更好地處理鋼鐵（和許多其他材料）提供更好的方法。
4-D 超快電子顯微鏡最強大的應用之一是即時觀察奈米系統和微系統的功能。例如，我們對奈米級懸臂樑的共振振盪進行了成像，這在以前從未實現過如此高頻運動的成像。透過我們的結果，我們確定了一系列描述懸臂樑材料特性及其運動的量，並且我們看到它們在接近 10
11 次振盪中連貫地工作。研究人員可以使用此類資料來測試指導微機電系統和奈米機電系統設計的理論模型，這反過來可能會導致此類裝置的新型別或新用途。
使用超快電子顯微鏡的四維成像也具有潛在的生物學應用。為了充分了解身體的功能，研究人員不僅需要了解各種蛋白質和其他分子和細胞結構的結構，還需要了解它們的動力學——蛋白質如何摺疊，它如何選擇性地識別其他分子，周圍的水起什麼作用等等。一些生物學功能涉及超快步驟。例如，我們的視覺和植物的光合作用都依賴於光子觸發飛秒級過程。雖然許多蛋白質的功能和故障發生的時間尺度遠大於飛秒，但最初飛秒內的原子和分子運動可以決定這些大分子最終是否正確摺疊成有用的結構，或者摺疊成例如導致阿爾茨海默病的那種結構。
一項關於蛋白質摺疊的研究說明了所需的技術型別和可能獲得的結果。我和我的同事研究了蛋白質的短片段透過加熱蛋白質浸入其中的水——所謂的超快溫度跳躍——摺疊成螺旋的一個轉速的速度有多快。（螺旋存在於無數蛋白質中。）我們發現，短螺旋的形成速度比研究人員認為的快 1,000 倍以上——在數百皮秒到幾納秒內產生，而不是通常認為的微秒。瞭解這種快速摺疊的發生可能會導致對生化過程的新理解，包括疾病中涉及的生化過程。
使用我們的 4-D 超快技術進行的生物成像通常依賴於一種稱為冷凍電子顯微鏡的成熟技術，其中將水中的樣品快速浸入液態乙烷中（液態乙烷在 −89 攝氏度下沸騰）。水凍結成玻璃狀固體，它不會像普通冰晶那樣衍射電子並破壞成像（以及樣品本身！）。我們以這種方式獲得了細菌細胞和蛋白質晶體的影像。未來，我們希望觀察嵌入在這種玻璃態水中的蛋白質的摺疊和展開：計時脈衝將溫度升高到足以融化蛋白質周圍的微小水滴，蛋白質將展開，然後立即重新摺疊。當水冷卻並重新凍結時，它會使分子準備好迎接另一個計時脈衝。相同的方法可以讓我們視覺化細菌鞭毛和構成細胞膜的脂肪酸雙分子層的動力學。與我們的石墨研究一樣，超快電子能量損失譜學應該可以讓我們繪製鍵合變化圖。在生物系統移動或解體之前捕獲影像應該會提供比目前在冷凍顯微鏡中可能獲得的更清晰的影像。
超快電子顯微鏡的變體很可能在結構動力學研究中突破奈米尺度以下，在物質中電子分佈的成像中突破飛秒以下。最近，我的加州理工學院小組展示了兩項新技術。其中一項是會聚束 UEM，電子脈衝被聚焦，僅探測樣品中的單個奈米位點。另一項是近場 UEM，它能夠對強雷射脈衝在奈米結構中產生的倏逝電磁波（“等離子體激元”）進行成像——這種現象是被稱為等離子體激元學的令人興奮的新技術的基礎[參見哈里·A·阿特沃特的“等離子體激元學的希望”；大眾科學，2007 年 4 月]。該技術已產生細菌細胞膜和蛋白質囊泡的影像，解析度為飛秒級和奈米級。
近年來，慕尼黑路德維希-馬克西米利安大學的費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）、渥太華大學的保羅·科克姆（Paul Corkum）等人使用極短的雷射脈衝開創了阿秒級光學（基於光的）研究。在加州理工學院，我們已經提出了幾種用於阿秒級基於電子的成像的超快電子顯微鏡方案，我們現在正在與內布拉斯加-林肯大學的赫爾曼·巴特蘭（Herman Batelaan）合作進行實驗實現。
電子顯微鏡非常強大且用途廣泛。它可以在三個不同的領域中執行：真實空間影像、衍射圖案和能譜。它用於從材料和礦物學到奈米技術和生物學的應用，以極大的細節闡明靜態結構。透過整合第四維度，我們將靜止影像變成了觀看物質行為（從原子到細胞）隨時間展開所需的電影。