电子云怎么画（给电子轨道拍个照）

电子云怎么画（给电子轨道拍个照）缺陷产生图像成像电子穿过材料后，科学家们用磁场对成像电子按速度进行筛选。这样，只有那些目标原子的电子云可以被成像，其他原子的电子云不则会出现。彼得·沙特施奈德（Peter Schattschneider），约翰内斯·贝尔纳第（Johannes Bernardi），斯特凡·洛夫勒（Stefan Löffler）。图片来源：维也纳技术大学提供科学家构想出“能量过滤式透射电子显微镜（EFTEM）”的方案已经有一段时间了。EFTEM可以对某些原子成像，同时将其他原子从图像中滤去。因此，EFTEM被广泛应用于表征材料的化学构成。它的原理是：显微镜向材料发射成像电子，成像电子穿过材料样品时会把一部分能量传递给材料的原子，因此其速度会降低。由于电子速度的变化同材料原子的电子轨道有关，因此根据穿透材料的成像电子的速度变化，可以通过计算而得到材料原子的电子轨道的图像。

石墨烯中碳原子周围的电子轨道图像。图片来源：维也纳技术大学提供

由维也纳技术大学教授彼得·沙特施奈德（Peter Schattschneider）领导的国际研究团队，是主攻基于能量过滤式透射电子显微镜（EFTEM that is energy-filtered transmission electron microscopy）的成像技术的。他们根据理论分析证明，在某些条件下，围绕一个原子运行的每个电子的轨道都可以被拍摄下来，即，电子显微镜可以对亚原子结构进行成像。该团队已经在着手规划对应的实验。该研究成果已经发表在《物理综述快报》（Physical Review Letters）上。

电子轨道成像的探索

很多人认为，电子一个围绕原子的圆轨道上运行的球体，就像地球围绕太阳运行一样，但是这个认识实际上并不准确。量子力学规律决定，我们不可能准确测量电子在某个时刻的准确位置，我们最多只能确定原子核周围电子出现的可能区域，这个电子可能出现的区域被称为“电子轨道”，尽管它跟地球的轨道不是一回事。虽然很久之前，科学家就可以根据理论计算电子轨道的形状，但是迄今为止，还没人能用电子显微镜拍摄电子轨道的图像。

彼得·沙特施奈德（Peter Schattschneider），约翰内斯·贝尔纳第（Johannes Bernardi），斯特凡·洛夫勒（Stefan Löffler）。图片来源：维也纳技术大学提供

科学家构想出“能量过滤式透射电子显微镜（EFTEM）”的方案已经有一段时间了。EFTEM可以对某些原子成像，同时将其他原子从图像中滤去。因此，EFTEM被广泛应用于表征材料的化学构成。

它的原理是：显微镜向材料发射成像电子，成像电子穿过材料样品时会把一部分能量传递给材料的原子，因此其速度会降低。由于电子速度的变化同材料原子的电子轨道有关，因此根据穿透材料的成像电子的速度变化，可以通过计算而得到材料原子的电子轨道的图像。

成像电子穿过材料后，科学家们用磁场对成像电子按速度进行筛选。这样，只有那些目标原子的电子云可以被成像，其他原子的电子云不则会出现。

缺陷产生图像

该团队对具体的电子轨道成像方法进行了理论分析和计算机模拟，结果他们发现了一些有趣的结果：石墨烯材料的结构必须存在缺陷才能实现成像。

编者注：关于必须有缺陷才能成像的原因其实很好理解，因为在完整的石墨烯中，每个碳原子的情况几乎相同，因为电子束入射角不同而造成的差异可能小到无法分辨。因此有时候必须有一些更明显的特征，比如周边缺少一个相邻的原子等，才能更容易识别出哪些电子带有这些特定原子的信息。

例如，单分子石墨烯薄膜上缺失了一个原子，留下了空穴，那么紧挨这个空穴的碳原子的电子轨道就可以被成像。当然，若空穴位置是一个氮原子也可以起到同样的作用。

不过，成像的难点在于，必须精确筛选出速度在一个极小范围内的成像电子。这要求使用最好的电子显微镜，并尽可能消除电子显微镜自身的性能局限造成的图像质量下降。

柏林洪堡大学，乌尔姆大学和加拿大麦克马斯特大学和维也纳技术大学正在联合进行“电子轨道成像”("Towardsorbital mapping" I543-N20)课题和“材料界面的电子能量损失谱”课题("EELS atinterfaces" J3732-N27)的研究。乌尔姆大学刚研发出一种新的高性能透射电子显微镜，将在未来投入电子轨道成像实验。该电镜的初步试用结果已经非常令人满意。

编译：离子心

参考: PhysicalReview Letters (2016). DOI:10.1103/PhysRevLett.117.036801