重点提要

　　-四维(4D)电子显微技术可拍摄到尺寸为纳米、持续时间短至数飞秒(10-15秒)过程中的“影片”。

　　-这项技术是以在精确控制的时间下拍摄的数千张个别相片，再组合成一格画面。

　　-这种技术的应用领域相当广泛，包括材料科学、纳米科技和医学等。

　　人类的视力有其极限，我们看不见比人类头发(直径小于1毫米)细很多的东西，也无法分辨速度比眼睛眨动(1/10秒)还快的动作。当然，近1000年来，光学和显微镜技术的长足进步，让我们得以大大超越肉眼视力的极限，看到极为细微的影像，例如病毒的显微影像；或是子弹打穿灯泡那千分之一秒的频闪相片。但是如果看见呈现原子样貌的影片，通常我们可以断定这应该是动画、艺术家的想象图，或是某种模拟画面。

　　近10年来，我在美国加州理工学院的研究团队开发出新的显微技术，可显示原子尺度、时间短至1飞秒(10-15秒)的运动。由于这项技术可同时拍摄到时间和空间，而且是以普及的电子显微镜为基础，因此我将这项技术称为四维(4D)电子显微技术。我们以这种技术拍摄了许多现象，包括数纳米长悬臂的振动、石墨中碳原子层在受到激光脉冲“敲击”后的振动，以及物质的状态改变等。另外，我们也拍摄了蛋白质和细胞的影像。

　　4D电子显微技术将可解答从材料科学到生物学等许多领域的问题，包括从原子到巨观尺度彻底了解材料的特性、纳米和微米机电系统(NEMS和MEMS)如何运作，以及蛋白质或生物分子组合如何折迭并变成更大的结构，这是各种活细胞运作的重要过程。另外，4D电子显微技术还可显示纳米结构中原子的排列方式(原子排列方式可决定新纳米材料的特性)，如果时间长度可短至阿秒(10-18秒)，或许还能追踪电子在原子和分子内的移动。除了用于研究基础科学之外，其它用途也相当广泛，包括设计纳米机器和新型药物等。

　　一切从猫咪开始

　　4D显微技术这种尖端科技，虽然是以先进的雷射装置和量子物理为基础，但许多运作原理可由科学家100多年前开发的停格动画摄影术加以说明。其中最重要的是1890年代法兰西学院教授马雷(尒ienne-Jules Marey)研究快速运动时，在移动的物体和摄影感光片(或感光条)之间，放置有狭缝的旋转圆盘，产生类似现代动画拍摄方式的连续曝光影像。

　　在其它研究中，马雷研究猫落下时如何自己将身体回正，因此能以四脚着地。在没有东西可以依靠的状况下，猫如何凭借本能完成这样的特技而不违反牛顿运动定律？猫落下和腿部挥动的总时间不到一秒钟，如果没有其它辅助方式，人类没办法看清楚整个过程。马雷的停格快速摄影揭露了答案。猫是让身体的前半部和后半部朝相反方向旋转，同时先伸长腿部再缩回。高空跳伞员、舞者和航天员也必须学习类似的动作，让身体旋转。

　　另外一种频闪摄影技术，则是以短暂的闪光捕捉发生时间极短、难以用机械快门捕捉的事件。闪光可让侦测装置(例如人眼或底片)暂时看见在黑暗中移动的物体。20世纪中叶，美国麻省理工学院的艾杰顿(Harold Edgerton)开发出的电子装置，可重复产生稳定且持续仅数微秒的闪光，为频闪摄影技术带来大幅进步。

　　猫落下实验则需要够短的快门时间或频闪闪光，才能将正在动作中的动物清楚地拍摄下来。假设猫被放下之后0.5秒内可将身体回正，那一瞬间猫的落下速度为每秒5公尺，如果使用持续1毫秒的闪光，猫在每次曝光之际落下的距离不会超过5毫米，因运动而造成的影像模糊不会很明显；如果要将整个过程拍成10个画面，必须每隔50毫秒拍摄一张相片。

　　如果我们想观察的不是猫而是分子，频闪闪光应该要有多短？分子或材料结构内的许多变化可以归因于原子移动了数埃(1埃等于10–10公尺)。要清楚呈现这类运动，空间分辨率必须小于1埃。在这类变化中，原子通常以每秒1000公尺的高速移动，频闪闪光必须短于10飞秒，影像分辨率才可小于0.1埃。在1980年代，研究人员就曾使用飞秒激光脉冲测量原子移动相关的化学程序，但是没有拍摄原子在空间中的位置，因为可见光的波长是分子或材料中原子间距的数百倍。

　　高速电子很早就用来呈现原子尺度的影像(例如在电子显微镜中)，但目标物必须固定不动，同时拍摄必须持续数微秒之久，依相机速度而定。因此，我们想拍摄的原子尺度影片必须具备电子显微镜的空间分辨率，同时还要有飞秒等级的电子脉冲，才能“照亮”目标。这种照亮目标的电子团称为“探测脉冲”(probe pulse)。

　　还有一个问题是动作的计时，也就是取得动作开始的确定时间点。如果所有探测脉冲都是在动作开始之前或结束之后才拍摄，当然不可能拍到可用的影像。拍摄猫的动作时，机器通常是从释放猫咪的那一瞬间开始动作；以超高速拍摄时，则得使用称为计时脉冲(clocking pulse)的飞秒起始脉冲触发对材料或程序的探测过程。

　　即使探测脉冲和计时都在掌握之中，另外还有同步问题存在。典型的超高速实验在这方面和猫落下实验有相当大的差异。如果一切都依照计划顺利进行，马雷只需抛下一只猫咪，而且只需一次就可完成实验。即使连续曝光的起始点比释放猫咪略慢，比如说差距5、10或17微秒，其实没有什么差别。但是，超高速显微技术可能需要在每次计时脉冲中，探测数百万个原子或分子，或是重复实验数千次再组合成完整影像。想象一下，如果马雷每次放下猫咪时，只能拍摄整个画面中的一长条垂直部份，他会怎么做？为了将一连串部份画面组合成完整的猫落下相片，他必须重复进行实验，每次拍下位置略有差异的长条垂直画面。要将这么多长条画面正确组合成有意义的完整影像，必须每次都以相同的初始状态抛下猫，并且每次都仔细让释放动作和快门开启以相同的方式同步运作(这项技术还有一个条件，就是猫的动作必须每次都相同，我想在这方面，分子应该会比猫稳定一点)。

　　初始状态的长度精确性必须达到猫体型的数分之一，时间同步的精确性则必须小于快门开启的时间。同样的，在原子或分子的超高速摄影中，初始状态的分辨率必须低于1埃，计时和探测脉冲彼此时间差的精确度则必须低于飞秒。探测脉冲相对于计时脉冲的时间调整，是沿着一条长度可调整的路径，送出两种脉冲的其中之一所得到的(以距离差距造成时间的差距)。对于以光速行进的脉冲而言，要以1微米的精确度来设定路径长度，对计时而言，相当于3.3飞秒的精确度。

　　我们还有一个基本问题必须克服，才能以电子拍摄影片。电子和光子不同，电子带电而彼此互相推斥，将许多电子挤压成脉冲，会破坏时间和空间分辨率，因为电子的斥力会使脉冲分崩离析。1980年代，德国柏林科技大学的波斯坦乔格罗(Oleg Bostanjoglo)以仅有一亿个电子的脉冲拍摄影像，但分辨率不超过纳秒和微米(美国劳伦斯利佛摩国家实验室的研究人员后来大幅改良到次微米等级)。

　　我的研究团则队运用先前的超高速电子绕射研究成果，开发出单一电子摄影技术，完成了这个挑战。每个探测脉冲仅有一个电子，在拍成的影片中只会形成一个小光点。但由于每个脉冲的计时都相当精准，同时具有“同调性”，因此许多光点可以组合成完整的物体影像。同调性会造成一项代表量子力学怪异性的现象：一个电子同时穿过两个狭缝，然后在侦测屏幕上的任意位置形成单一光点，但是所有光点组合成干涉波特有的明暗条纹图形，是可以预测的。

　　单一电子成像是4D超高速电子显微镜(UEM)的重要关键。现在我们已能拍摄分子和材料对各种状况的反应，就好像许多惊慌失措的猫在空中扭动。

　　(摘自台湾《科学人》2010年第103期 文／齐威尔(Ahmed H. Zewail) 翻译／甘锡安)