“千兆亿分之一秒”捕捉瞬息变化 … UNIST实现全新成像技术
[亚洲经济岭南采访本部记者 Hwang Duyul] UNIST研究团队实现了一种超高分辨率成像技术，能够直接观测和控制在“千兆兆分之一秒”（10-15秒）时间尺度内发生的瞬时变化。
UNIST化学系 Kwon Ohun 教授团队利用国内唯一的“四维超高速透射电子显微镜”，以飞秒（femtosecond，10-15秒）级精度，在真实时间和空间中直接捕捉到了二氧化钒（VO2）纳米颗粒极其快速的金属—绝缘体相变过程。
二氧化钒在摄氏68度时会发生金属—绝缘体相变，被视为光学传感器和高速开关器件等下一代核心材料而备受关注。
但由于这一相变过程发生在飞秒这样极其短暂的时间内，现有成像技术无法在纳米颗粒尺度上进行直接观测。
超高速透射电子显微镜在光阴极上产生光电子飞秒脉冲，并将其加速到高能量，使其波长缩短至小于原子尺寸的皮米（10-12米）量级，从而获得极高的时空同步分辨率。
然而组成光电子脉冲的每个电子都带负电，相互之间存在排斥作用。由此导致光电子脉冲在穿过显微镜镜筒时在时空上不断扩散，分辨率随之下降。
为突破透射电子显微镜的局限并拍摄二氧化钒的相变过程，研究团队以不同于以往的方式利用了常规使用的能量过滤器。
研究人员首先利用能量过滤器，筛选出在到达显微镜相机之前已在时空中发生扩散的光电子脉冲的一部分。随后再用被筛选出的部分光电子重构图像，从而清晰捕捉到长达飞秒时间尺度内的相变瞬间。
这一成果是基于“能量相同的光电子在加速后会处于相同时空位置”这一物理定律而实现的。
通过利用能量过滤器，可以一次性捕捉构成二氧化钒纳米颗粒簇的各个单个纳米颗粒各不相同的超高速相变过程。
尤其是，研究团队首次直接确认了一个证据：在石墨烯基底上形成的二氧化钒纳米颗粒由于其结构不同于以往，在发生相变的中间阶段可能会经历“准稳定状态”。
第一作者 Kim Yejin 博士表示：“为提升超高速透射电子显微镜的时间分辨率，已经付出了大量努力。本次研究证明，即便无需对复杂设备进行改造，也能够在飞秒时间尺度上，以纳米米级分辨率清晰拍摄物质的变化过程。”
Kwon Ohun 教授表示：“这是在人人皆知的一般物理学知识基础上，将飞秒成像技术以实验方式实现的超前成像领域首例研究。我们首次实时拍摄了二氧化钒的超高速相变现象，有望提升对物性调控的理解，并提高其作为材料的应用价值。”
本研究在三星未来技术培育财团的支持下开展，研究结果于上月27日下午2时发表在学术期刊《Science》的姊妹刊《Science Advances》上。
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