Maximilian Haider
Harald Rose
Knut Urban
2020年诺贝尔物理学奖授予Maximilian Haider（奥地利人），Harald Rose（德国人）和 Knut Urban（德国人），以表彰他们发明了像差校正电子显微镜，使得可以以皮米的精度观察原子，实现了亚埃的3维成像。
撰文 | 施郁
● ● ●
我成功预测了今年诺贝尔物理学奖的获奖人。诺奖颁奖前，我曾指出，此次获奖的会是凝聚态物理中比较实用或技术性的项目，并认为Maximilian Haider，Harald Rose和Knut Urban为可能获奖人选, 因为他们发明了像差校正电子显微镜，使得可以以皮米（1皮=10-12）的精度观察原子，实现了亚埃的3维成像和化学分析 [1]。
科学和历史背景
显微镜和望远镜都大大延申了我们观察世界的范围，成为科学技术很多领域的重要工具。但是它们所能分辨的最小距离与光的波长相当。可见光的波长是几千埃，或者说微米量级（1米=106微米=1010埃），而原子的大小是埃的量级，因此用用可见光显微镜是看不到的。奇妙的是，我们可以用电子束代替可见光，它能使得人们观察原子尺度上的物质结构和物理过程。
1924年，德布罗意提出电子以及其他物质粒子也是一种波（因此获1929年物理诺奖），后来被严格的量子力学确认。这就是量子力学中的波函数，描述粒子的概率分布，而薛定谔的波动力学正是建立在德布罗意假说之上。
1927年，戴维森（Clinton Joseph Davisson）和汤姆逊（George Paget Thomson）分别独立观察到电子被晶体中的原子衍射的现象，证明了电子确实具有波动性（因此分享1937年物理诺奖）。电子的波动性是电子显微镜的物理基础。
但是电子的“透镜”当然不是控制可见光的透镜。
1931年，柏林工业大学研究生Ernst Ruska 和 他的导师Max Knoll 发明了第一台原始的电子显微镜（简称电镜）[2]。他们发现，可以用线圈中的电流产生的磁场作为电子束的透镜，因为磁场可以电子的运动。这也开启了电子光学，也就是用电磁场控制电子束，使之成类似光在光学器件中的传播，包括折射、干涉、衍射等等。不过他们最初的工作是在了解德布罗意理论之前。
后来，Ruska做了改进，1933年造出性能大大提高的电镜。这种与光学显微镜类似的透射电镜叫做传统透射电镜（CTEM）：电子束射到样品上，被样品原子所散射，散射电子在电磁透镜的控制下形成图像。1937年，Manfred von Ardenne 发明了扫描时有电子透射的扫描透射电子显微镜（STEM）：样品被电子束扫描，穿透样品的电子被搜集起来，形成图像。
1980年代后期，电镜的分辨距离达到了几埃，但是有比较严重的像差（实际成像与单透镜理论结果之间的差别），比如远离透镜中心的电子与靠近透镜 中心的电子的聚焦位置不一样。所以成像很不不清楚，分辨本领远低于理论极限。 能分辨的距离达到波长的100倍。所以，电镜的透镜一直需要改进。
1980年代，在瑞士苏黎世的IBM研究所，Gerd Binnig 和Heinrich Rohrer （在同事Christoph Gerber和Edmund Weibel等人合作下）发明了扫描隧道显微镜（STM），然后在美国Almaden的IBM研究所和斯坦福大学，Binnig又和Gerber 及Calvin Quate合作发明了原子力显微镜（AFM）。STM基于扫描电镜与样品之间的隧穿电流（电子的量子隧穿）， 而AFM基于扫描电镜与样品之间的力 。1986年的诺贝尔物理学奖授予了发明第一台电镜的 Ruska与发明STM的Gerd Binnig 和Heinrich Rohrer。Binnig、Gerber 及Quate因AFM获得2016年科维理纳米科学奖。因为Binnig已经得过一次诺奖，AFM很难获得诺奖。
STM和AFM都很强大，不但可以观察原子，还可以操控原子。但是它们只能用于材料的表面。
获奖研究
1990年，当时在达姆施塔特大学（University of Darmstadt）的 Harald Rose，基于两个电磁6极装置（sextupole，6个由导电线圈产生的磁极，南北极相间围成一圈，而且相邻南北极间隔1/6圈），设计了一个透镜系统（见下图），能够抵消标准的电子透镜的像差。
次年，Rose联合当时在海德堡的 Maximilian Haider 和在德国于利希（Jülich）的 Knut Urban 在一个CTEM上实现他的设计。1998年, 他们发表了像差校正的CTEM的第一个成像。后来这个技术也用到STEM。20年来，像差校正的CTEM的分辨力提高很多，达到0.5埃。与没有相差校正的透射电镜相比，分辨力提高了7倍，可以用来观察单个原子，研究局部原子结构和材料性质的关系，比如直接看到导致电极化方向变化的原子位置变化。 Ondrej Krivanek等人将这个技术用到STEM，进一步提高了电镜能力，可以给出原子之间化学键的信息。后来又因为电子探测器的改进，相差校正电镜可以用到包括石墨烯和其他二维材料在内的很多样品，甚至在原子尺度上观察化学反应，以及对原子的操纵。像差校正电镜使得人们可以在3维结构中观察到单个的原子，后来的分辨距离达到皮米，也就是百分之一埃。这大大推进了纳米科学技术的进步。 Harald Rose的贡献主要是设计了Rose校正器（ Rose corrector），可用于在透射电镜中校正像差，在CTEM和STEM均适用。 Maximilian Haider 的贡献是在Rose的设计基础上，实验上实现了第一个6极校正器（sextupole corrector），并且在第一个像差校正的透射电镜中起了重要角色，并且将电镜分辨本领改进到亚埃尺度。Knut Urban 的贡献是在第一个像差校正的透射电镜的制造中起了重要角色。Harald Rose 1935年2月出生于德国不来梅，在达姆施塔特大学以理论电子光学方面工作获得博士学位，博士导师Otto Scherzer是著名物理学家索莫菲[2]的学生，在电镜做过重要贡献。博士毕业后留校工作，后来在美国工作，1980年起回达姆施塔特大学任教授，2000年退休。2009年起他是德国乌尔姆大学（University of Ulm）的ZEISS高级教授。他是皇家显微镜学会（the Royal Microscopical Society）的名誉会员。 Maximilian Haider 1950年1月出生于奥地利弗赖施塔特。1987年在达姆施塔特大学获博士学位后，在海德堡的欧洲分子生物实验室工作至今。他也是德国卡尔斯鲁厄理工学院（Karlsruhe Institute of Technology）的名誉教授。1996年他与Joachim Zach在海德堡创办了Corrected Electron Optical Systems公司（CEOS GmbH），将Rose校正器商业化。他也是皇家显微镜学会的名誉会员。 Knut Urban 1941年6月出生于德国斯图加特，1972年于斯图加特大学（University of Stuttgart）获物理学博士学位，之后去斯图加特马普金属研究所工作。他现在是德国亚琛工业大学（RWTH Aachen University）的高级教授，也是于利希研究中心的微结构研究所所长。他还是美国材料研究学会，德国物理学会和日本金属与材料学会等多个科学机构的荣誉会员。 他们三人曾共同获得过2011年沃尔夫奖和2020年科维理纳米科学奖 （详见：7位科学家获科维理奖 [5]）。本文参考了相关资料 [2,6]。 
参考文献：（上下滑动可浏览）
[1] 施郁. 诺奖前瞻：物理奖存在内外循环？今年谁可能获奖？知识分子，2020年10月2日.
https://mp.weixin.qq.com/s/BrBydfYCoxfDFd9fV-BkXA
[2] http://kavliprize.org/prizes-and-laureates/prizes/2020-kavli-prize-nanoscience#field_explanatory_notes
[3] Harald Rose. Optik 85, 19–24 (1990).
[4] 施郁. 一流物理学的传承与发展：文化、学派、风格和诺奖, 知识分子，2020年9月30日.
[5] https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIyNDA2NTI4Mg==&mid=2655445104&idx=1&sn=65a86eb61eab794918787f73ab18c105&chksm=f3a6e21dc4d16b0bb5de61f0036c2525247e2d45712da4d0884ab3201b8c706b05a60977e1a1&token=2057725113&lang=zh_CN&scene=21#wechat_redirect
[6] https://wolffund.org.il/the-wolf-prize/#Laureates
直播预告！！
今天晚上（10月4日）20:00-21:00
李永乐 X 知识分子
和你一起聊诺贝尔生理学或医学奖
点击阅读原文并复制链接至浏览器，和《知识分子》一起聊诺贝尔生理学或医学奖。
