人眼的视觉是有限的。我们无法看到比头发丝细得多的物体（毫米的一小部分），也无法分辨快于眨眼（十分之一秒）的运动。当然，过去一千年中光学和显微技术的进步使我们能够远远超出肉眼的极限，观察到精美的图像，例如病毒的显微照片或子弹在毫秒内穿透灯泡的频闪照片。但是，如果我们看到一部描绘原子晃动的电影，直到最近我们还可以相当肯定地认为我们看到的是卡通片、艺术家的印象或某种模拟。
在过去的10年中，我在加州理工学院的研究小组开发了一种新的成像形式，揭示了发生在原子尺寸尺度上和飞秒（百万分之一秒的百万分之一）时间间隔内的运动。由于该技术能够实现空间和时间上的成像，并且基于历史悠久的电子显微镜，我将其命名为四维 (4-D) 电子显微镜。我们已使用它来可视化诸如宽度仅为十亿分之几米的悬臂梁的振动、石墨中碳原子片在被激光脉冲“撞击”后像鼓一样振动的运动以及物质从一种状态到另一种状态的转变等现象。我们还对单个蛋白质和细胞进行了成像。
四维电子显微镜有望回答从材料科学到生物学等领域的问题：如何从原子尺度到宏观尺度，从自下而上的角度理解材料的行为；纳米级或微米级机器（NEMS 和 MEMS）如何运作；以及蛋白质或生物分子组件如何折叠并组织成更大的结构，这是所有活细胞功能中至关重要的过程。四维显微镜还可以揭示纳米级结构的原子排列（这决定了新型纳米材料的特性），并且有可能跟踪原子和分子中以阿秒（十亿分之一秒的十亿分之一）时间尺度移动的电子。随着基础科学的进步，潜在的应用范围很广，包括纳米机器和新型药物的设计。
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运动中的猫和原子
虽然 4-D 显微镜是一项尖端技术，它依赖于先进的激光和量子物理学的概念，但它的许多原理可以通过考虑科学家们一个多世纪前如何开发定格动画摄影来理解。特别是，在 1890 年代，法兰西公学院的教授艾蒂安-朱尔·马雷（Étienne-Jules Marey）通过将带有狭缝的旋转圆盘放置在移动物体和照相底片或胶片之间来研究快速运动，从而产生了一系列类似于现代电影拍摄的曝光。
在其他研究中，马雷研究了猫如何自我调整姿势，使其四脚着地。在没有任何东西可以推动的情况下，猫是如何本能地完成这种杂技般的壮举而不违反牛顿运动定律的？坠落和腿部的慌乱不到一秒钟——太快了，肉眼无法精确地看到发生了什么。马雷的定格动画快照提供了答案，其中涉及以后肢和前肢相反方向扭动，腿部伸展和收缩。跳水运动员、舞蹈演员和宇航员学习类似的动作来转身。
另一种方法是频闪摄影，它依靠短促的光闪来捕捉比机械快门可能实现的更短时间尺度上发生的事件。闪光使在黑暗中移动的物体对探测器（例如观察者的眼睛或照相底片）瞬间可见。在 20 世纪中期，麻省理工学院的哈罗德·埃杰顿（Harold Edgerton）通过开发能够产生可靠的、重复的、微秒级闪光的电子设备，极大地推进了频闪摄影技术。
坠落的猫实验需要足够的快门时间或频闪闪光，以便照片能够清晰地显示动物，尽管它在运动。假设猫在被释放后半秒内调整好了姿势。在那一瞬间，猫将以每秒五米的速度坠落，因此通过使用一毫秒的闪光，我们将确保猫在每次曝光期间坠落不超过五毫米，这样猫的图像只会因其运动而略微模糊。为了将杂技动作分成 10 个快照，照片必须每 50 毫秒拍摄一次。
如果我们希望观察分子而不是猫科动物的行为，那么我们的频闪闪光必须有多快？分子或材料结构的许多变化都涉及原子移动几个埃（一埃等于 10
−10 米）。为了绘制出这种运动，需要小于一埃的空间分辨率。在这些转变中，原子通常以大约每秒一公里的速度移动，需要不超过 10 飞秒的频闪闪光才能以优于 0.1 埃的清晰度观察到它们。早在 1980 年代，研究人员就使用飞秒激光脉冲来计时涉及原子运动的化学过程，但没有对原子在空间中的位置进行成像——光的波长比分子或材料中原子之间的间距长数百倍[参见艾哈迈德·H·泽维尔的“分子的诞生”；大众科学，1990 年 12 月]。
加速电子长期以来一直在原子尺度上产生图像——就像在电子显微镜中一样——但仅限于固定位置的目标，并且在毫秒或更长时间的时间间隔内成像，这受到相机速度的限制。因此，我们寻求的原子尺度电影需要电子显微镜的空间分辨率，但需要飞秒电子脉冲来“照亮”目标。照明电子包称为探测脉冲。
另一个问题是运动的计时——在时间上有一个明确的瞬间，运动开始。如果所有探测脉冲都在运动开始之前或之后拍摄快照，我们将无法获得有用的图像。在拍摄猫的照片时，记录在猫被释放时开始。对于超快记录，称为计时脉冲的飞秒启动脉冲启动要研究的材料或过程。
即使探测和计时都在控制之下，同步问题仍然存在。在这里，典型的超快实验与猫的类比截然不同。如果一切按计划进行，马雷可以通过一次放下猫来完成他的实验。并且如果曝光系列在猫被释放后 5、10 或 17 毫秒开始，也没什么大不了的。然而，超快显微镜可能会为每个计时脉冲探测数百万个原子或分子，或者可能通过重复实验数千次来构建图像。想象一下，如果马雷被限制为每次猫掉落时仅捕获视野的狭窄垂直条带。为了建立坠落猫的完整快照系列，他将不得不重复实验多次，每次都沿着略有不同的垂直条带记录。为了使各个条带明智地组合并形成有意义的完整图像，他需要为每次掉落准备相同的起始配置中的猫，并仔细地以相同的方式将释放与快门打开同步。（该技术还将依赖于猫每次都以相同的方式移动。我怀疑分子在这方面比猫更可靠。）
起始配置的精度必须达到猫尺寸的一小部分，并且时间同步的精度必须小于快门持续时间。类似地，在原子或分子的超快成像中，启动配置必须定义为亚埃分辨率，并且计时脉冲和探测脉冲的相对计时必须具有飞秒精度。探测脉冲相对于计时的定时是通过沿具有可调长度的路径发送这些脉冲中的任何一个来完成的。对于以光速传播的脉冲，将路径长度设置为一微米的精度对应于将相对定时设置为 3.3 飞秒的精度。
在我们能够用电子制作电影之前，仍然存在一个进一步的重大和根本问题需要克服。与光子不同，电子带电并相互排斥。将大量电子挤入脉冲中会破坏时间和空间分辨率，因为电子的相互排斥会使脉冲分散。在 1980 年代，柏林技术大学的 Oleg Bostanjoglo 确实使用少至 1 亿个电子的脉冲实现了成像，但分辨率不优于纳秒和微米（后来劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员将其显着提高到亚微米级别）。
我的小组通过开发单电子成像来应对这一挑战，这建立在我们早期对超快电子衍射的研究基础上。每个探测脉冲包含单个电子，因此在最终电影中仅提供单个“光点”。然而，由于每个脉冲的精确定时和另一个称为脉冲相干性的特性，许多光点加起来形成了物体的有用图像。类似的壮举有时表现为量子力学的特征怪异之一：电子一次通过两个狭缝，每个电子在检测屏幕上的某个随机位置贡献一个光点。然而，所有光点加起来形成了光和黑暗的可预测图案，这是干涉波的特征。
单电子成像是 4-D 超快电子显微镜 (UEM) 的关键。我们现在可以制作分子和材料在响应各种情况时的电影，就像许多受惊的猫在空中扭动一样。
解读纳米物质
我们的首批目标之一是石墨，铅笔中的“铅”材料。我们选择石墨部分是因为它是一种不寻常的材料，在核反应堆堆芯等极端环境中具有应用，并且因为它有同样非凡的近亲。石墨由以六边形图案排列的碳原子组成，形成让人联想到鸡丝网的片状结构。相对较弱的键将这些片状结构堆叠在一起。用普通铅笔书写依赖于石墨碎片脱落并粘附到纸张上。铅笔痕迹包括极少量科学已知的最坚硬的材料——石墨烯，它由孤立的单层碳原子片组成。研究人员正在积极研究石墨烯在各种电子应用中的应用。此外，当柔软的石墨受到极端压力时，其原子会重新排列形成金刚石，金刚石是已知最坚硬的物质之一。
为了研究石墨对机械冲击的响应，我们取了纳米级石墨晶体——有些只有纳米厚，或几层原子——并用强烈的飞秒激光脉冲撞击它们，这些脉冲充当我们显微镜的计时脉冲。每个激光脉冲都将石墨的原子层瞬间推得更近，使它们上下振荡[参见对页上的方框]。我们的电子显微镜将电子穿过这些振荡的石墨层以产生两种图片：真实空间图像（很像石墨表面的照片）或衍射图案，衍射图案是规则的点阵列，其精确配置提供了有关原子在石墨晶格中的排列和间距的信息。特别是，我们可以通过衍射图案中斑点的移动来跟踪上下振荡的层。振荡的频率约为 10 到 100 吉赫兹（10
10 到 1011 次/秒）。以前没有成像实验观察到如此高频的共振随时间展开。
通过我们的测量，我们确定了石墨垂直于原子平面的弹性——材料如何响应作用于该方向的压缩力或拉伸力。想象一下，石墨晶体是由弹簧连接的一堆刚性金属板，激光脉冲是一把巨大的大锤，撞击顶板。我们测量了弹簧的特性。
只要我们的“相机”非常近距离地放大，金属板类比就是合理的。但是，如果相机形象地“拉回”，则会看到更多微小的石墨晶体。现在，锤子正在撞击顶层金属板的一个区域，并且很明显，这些板正在弯曲，压缩和膨胀以波浪的形式从撞击点向外传播。
当我们进一步拉回相机并以更慢的速度拍摄图像时，另一种动力学现象就会出现。现在我们看到激光脉冲如何使整个纳米薄晶体振荡，就像鼓槌敲击鼓面一样。我们看到，在激光脉冲击中后的最初几微秒内，晶体的运动看起来是混乱的，但随着时间的推移，整个晶体稳定下来，形成了一个明确的共振振荡——它像鼓一样敲击！
对于这些振荡，决定共振频率的材料特性是石墨平面的弹性——它们对在平面中拉伸或压缩的响应。我们发现，与将碳原子平面拉开或推到一起相比，石墨更耐受碳原子平面内的变形。可以通过考虑连接每个六边形层中碳原子的化学键比连接相邻平面的键强得多来解释结果。
虽然对石墨块状样本的研究产生了关于石墨弹性的类似数据，但我们获得的信息告诉我们更多。它解决了两种类型的问题，这些问题对于我们理解纳米尺度材料的行为至关重要：首先，用弹性等特性描述连续介质材料的尺度在什么长度尺度上会崩溃？其次，我们可以从长度和时间的原子尺度行为外推到重现材料已知的宏观特性吗？对于石墨，我们发现即使是非常纳米级的样品（只有几十层原子厚）也出人意料地像块状材料一样表现。这种描述在石墨烯极限附近仍然有效吗？
到目前为止，我描述的石墨电影都依赖于我们的探测电子与样品的碰撞，在碰撞中它们不会损失能量——就像橡胶球从坚硬的东西上弹开一样。然而，有时探测电子可能会损失能量，通过激发碳原子中的电子。能量损失量取决于原子电子所参与的键的类型。一种非常古老的技术称为电子能量损失谱学，可以测量这种损失；获得的能谱提供了有关材料中键合以及构成材料的化学元素的信息。将这种方法与我们的超快电子显微镜结合使用，我们表明，在压缩阶段，石墨内部的键合向金刚石特征键合类型转变。在膨胀阶段，表面原子的键合向石墨烯的键合转变。传统的电子能量损失谱学太慢，无法观察到这些变化。
从悬臂梁到细胞
我的小组现在除了石墨外，还在多种材料上进行了四维显微镜研究。在铁中，我们制作了衍射图像，以跟踪晶体结构从所谓的体心立方到面心立方的变化，这一过程发生在许多工业应用中，包括钢铁生产中的高温。当我们在大约一纳秒内将铁从室温加热到接近 1,500 开尔文时，我们看到了两个动态过程展开。首先，面心相的斑点在晶体中相对缓慢地——在纳秒时间尺度上——从铁原子的不相干运动中发展或成核。其次，这些新相区域以声速增长，这意味着该过程仅需皮秒（10
−12 秒）即可覆盖热铁。这种快速传播的转变涉及许多原子以协调的方式位移，这是一种奇特的“涌现”，即晶体中大规模变化源于无数潜在的纳米级运动。理解这种现象可能会为在工业过程中更好地处理钢铁（和许多其他材料）提供更好的方法。
4-D 超快电子显微镜最强大的应用之一是实时观察纳米系统和微系统的功能。例如，我们对纳米级悬臂梁的共振振荡进行了成像，这在以前从未实现过如此高频运动的成像。通过我们的结果，我们确定了一系列描述悬臂梁材料特性及其运动的量，并且我们看到它们在接近 10
11 次振荡中连贯地工作。研究人员可以使用此类数据来测试指导微机电系统和纳米机电系统设计的理论模型，这反过来可能会导致此类设备的新类型或新用途。
使用超快电子显微镜的四维成像也具有潜在的生物学应用。为了充分了解身体的功能，研究人员不仅需要了解各种蛋白质和其他分子和细胞结构的结构，还需要了解它们的动力学——蛋白质如何折叠，它如何选择性地识别其他分子，周围的水起什么作用等等。一些生物学功能涉及超快步骤。例如，我们的视觉和植物的光合作用都依赖于光子触发飞秒级过程。虽然许多蛋白质的功能和故障发生的时间尺度远大于飞秒，但最初飞秒内的原子和分子运动可以决定这些大分子最终是否正确折叠成有用的结构，或者折叠成例如导致阿尔茨海默病的那种结构。
一项关于蛋白质折叠的研究说明了所需的技术类型和可能获得的结果。我和我的同事研究了蛋白质的短片段通过加热蛋白质浸入其中的水——所谓的超快温度跳跃——折叠成螺旋的一个转速的速度有多快。（螺旋存在于无数蛋白质中。）我们发现，短螺旋的形成速度比研究人员认为的快 1,000 倍以上——在数百皮秒到几纳秒内产生，而不是通常认为的微秒。了解这种快速折叠的发生可能会导致对生化过程的新理解，包括疾病中涉及的生化过程。
使用我们的 4-D 超快技术进行的生物成像通常依赖于一种称为冷冻电子显微镜的成熟技术，其中将水中的样品快速浸入液态乙烷中（液态乙烷在 −89 摄氏度下沸腾）。水冻结成玻璃状固体，它不会像普通冰晶那样衍射电子并破坏成像（以及样品本身！）。我们以这种方式获得了细菌细胞和蛋白质晶体的图像。未来，我们希望观察嵌入在这种玻璃态水中的蛋白质的折叠和展开：计时脉冲将温度升高到足以融化蛋白质周围的微小水滴，蛋白质将展开，然后立即重新折叠。当水冷却并重新冻结时，它会使分子准备好迎接另一个计时脉冲。相同的方法可以让我们可视化细菌鞭毛和构成细胞膜的脂肪酸双分子层的动力学。与我们的石墨研究一样，超快电子能量损失谱学应该可以让我们绘制键合变化图。在生物系统移动或解体之前捕获图像应该会提供比目前在冷冻显微镜中可能获得的更清晰的图像。
超快电子显微镜的变体很可能在结构动力学研究中突破纳米尺度以下，在物质中电子分布的成像中突破飞秒以下。最近，我的加州理工学院小组展示了两项新技术。其中一项是会聚束 UEM，电子脉冲被聚焦，仅探测样品中的单个纳米位点。另一项是近场 UEM，它能够对强激光脉冲在纳米结构中产生的倏逝电磁波（“等离子体激元”）进行成像——这种现象是被称为等离子体激元学的令人兴奋的新技术的基础[参见哈里·A·阿特沃特的“等离子体激元学的希望”；大众科学，2007 年 4 月]。该技术已产生细菌细胞膜和蛋白质囊泡的图像，分辨率为飞秒级和纳米级。
近年来，慕尼黑路德维希-马克西米利安大学的费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）、渥太华大学的保罗·科克姆（Paul Corkum）等人使用极短的激光脉冲开创了阿秒级光学（基于光的）研究。在加州理工学院，我们已经提出了几种用于阿秒级基于电子的成像的超快电子显微镜方案，我们现在正在与内布拉斯加-林肯大学的赫尔曼·巴特兰（Herman Batelaan）合作进行实验实现。
电子显微镜非常强大且用途广泛。它可以在三个不同的领域中运行：真实空间图像、衍射图案和能谱。它用于从材料和矿物学到纳米技术和生物学的应用，以极大的细节阐明静态结构。通过整合第四维度，我们将静止图像变成了观看物质行为（从原子到细胞）随时间展开所需的电影。