无损成像:氦显微镜

他们说眼见为实，望远镜和显微镜的发明给我们对周围世界和宇宙的理解带来了革命，怎么说都不为过。像电子显微镜这样的设备现在意味着甚至可以看到原子和分子的样子。但这些现有技术的一个问题是，你最终可能会在观察样本的过程中破坏它。这就是为什么澳大利亚纽卡斯尔大学和剑桥大学正在开发的一项新技术——利用氦原子对物体进行无损成像——看起来将会改变游戏规则。裸体科学家马修·霍尔在保罗·达斯图尔博士的帮助下观察了它的实际情况。

马修-想象一下，你正在通过显微镜看东西，你看到了一些壮观的东西，并决定放大它，但当你扭动旋钮时，你意识到你已经放大到最大了。这种不幸的情况是困扰显微镜的众多情况之一，显微镜是一门观察超微小物体的科学。澳大利亚纽卡斯尔大学的保罗·达斯图尔正在访问英国，他的使命是传播人们对这些问题的各种解决方案的认识。保罗正在研究一种显微镜，它可以用氦原子而不是光来拍照。

Paul -光实际上可以破坏材料。如果我们想一下当我们把衣服长时间放在阳光下会发生什么，它们会发生什么?他们褪色。它们褪色是因为光线有足够的能量来破坏衣服本身的染料分子。

马修:我进入卡文迪什实验室的原因是为了一种新的显微镜方法——它被称为扫描氦显微镜，简称SHEM，它的工作方式与以前的显微镜完全不同……

保罗:所以我们第一次使用中性物质——氦原子，而不是像电子这样的带电粒子。

马修-显微镜本身是巨大的，大约沙发的宽度，主腔看起来像一个未来的枪管的佳能。许多小盒子也包括设备的前部，使整个系统处于真空状态。为什么在真空中运作如此重要呢?

保罗:为了制造氦气束，我们要做的就是把氦气泵到高压，让它通过一个小洞膨胀到真空中，这个小洞大约有10微米大小。当你这样做的时候，嘘一声，你就得到了一束光。

马修-然后光束传播到样品支架，在那里它会击中任何挡住它的样品…

它的能量比电子低很多很多个数量级，甚至比光还低，所以氦原子根本不可能破坏表面。

然后光束通过大炮形状的桶流到一个非常敏感的氦探测器，该探测器使用与位置数据配对的原子的通量或力流来形成图像…

保罗:我们把氦气抽出来，然后氦气可以通过一个大气球收集起来，然后再压缩再循环。

马修-多亏了波粒二象性，量子力学中的一种理论，认为所有的粒子都可以用波长来表示，氦原子有自己的波长。与光的波长相比，氦的波长绝对是微不足道的。这使得用氦拍摄的图像的理论最大分辨率比光图像的最大分辨率高12,000倍，因为氦的波长比光的波长小12,000倍。

保罗:我们目前的分辨率只有1微米左右。下一阶段的发展是将其缩小到50纳米左右，而这个新仪器实际上正在隔壁建造。

马修-即使未来的计划正在进行中，使显微镜的分辨率比现在好得多，显微镜在显微镜界仍然是一个忙碌的蜜蜂。在我参观的过程中，屏幕上出现了恐龙牙齿化石、显微镜下的玻璃球，甚至还有一个正在转变成不同细胞类型的活干细胞的图像。

Paul -如果你想在电子显微镜下给它们成像，它们很难成像，因为，当然，电子是带电荷的，你把它们放在绝缘体上，它们哪儿也去不了。就像在头上摩擦气球，产生静电。所以在电子显微镜下要给这些东西成像你首先要给它们镀上一层金。你看不到真正的东西，你看到的是一个被包裹的样本，对于许多这样的样本，他们不希望它们被包裹在黄金上，因为那意味着永远不能再使用它们了。这就是关键点，我们有一种技术不需要这样做，因为氦原子是电中性的，它们不带电。

马修-拥有在纳米尺度上成像而不损坏样品的能力对材料和生命科学研究具有巨大的潜力。

所有的科学都建立在观察的基础上。如果，当你观察某样东西的时候你改变了观察的对象，你怎么能确定你的测量结果呢?测量的过程不应该改变你测量的东西。我认为，我们现在第一次看到的是一种成像技术，它保证不会损害我们所看到的东西。