近年来，超快透射电子显微镜（UTEM）在表征物质科学领域的超快动力学过程上取得了一系列成果。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心A06组的李建奇，杨槐馨研究员团队，基于JEOL-2100F场发射透射电子显微镜，成功搭建了国内第一台基于肖特基场发射电子枪的UTEM。
UTEM中，电子枪发射的自由电子可以和样品周围的光学近场相互作用。该过程涉及到电子和近场两个客体。一方面可以延续透射电镜中的理念，将自由电子视为探针来探测近场，通过谱仪收集这些电子可以得到近场的时间分布、空间分布、相位等信息；另一方面近场也可以作为自由电子的调制器，实现自由电子能量和波函数相位的调控。
A06组学生郑丁国、黄思远等，在李建奇研究员的指导下，以UTEM为平台，基于光诱导近场电子显微学（PINEM）的方法对银纳米线周围的表面等离极化激元（SPP）近场进行了观测。
该工作揭示了银纳米线周围量子态的布居，研究成果以“Nanoscale Visualization of a Photoinduced Plasmonic Near-Field in a Single Nanowire by Free Electrons”为题发表在Nano Letters杂志上。
作为被调控的对象，自由电子可以通过光学近场获得超过keV的能量。受自由电子和银纳米线周围光学近场的强相互作用的启发，光栅结构被设计出用以实现自由电子的加速，实验示意图如图2所示，通过设计合理的光栅周期，保证电子的群速度等于近场的相速度，从而实现了高效的加速。
大量文献表明蝶形结构在间隙附近存在极强的局域表面等离激元场，于是进一步设计了以蝶形结构为基本单元的金属激光加速器，如图3所示。
该结构中自由电子最高加速能量为2.4 keV，加速梯度0.335 GeV/m，是迄今为止具有最高平均加速梯度的单光栅结构激光加速器。这项工作为开拓基于金属材料的芯片加速器提供了新思路，研究成果以“Efficiently accelerated free electrons by metallic laser accelerator”为题发表在Nature Communications杂志上。
上述工作得到了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院战略重点研究计划(B)、中国科学院科学仪器开发项目、怀柔综合极端条件实验装置和北京市重大科技专项的支持。