实时时空成像与控制生物系统中的电子运动与化学结构动力学

超快电子显微镜（UEM）在物理学、化学和材料科学中得到了广泛应用，能够在超快时间尺度上实现实时空间成像。近期进展已将UEM的时间分辨率推进至阿秒 regime，使阿秒显微术能够直接可视化电子运动。在本工作中，我们将这一强大成像工具的能力扩展到生物系统，通过成像和控制多细胞电缆细菌导电网络中光诱导的电子和化学变化。利用电子能量损失谱（EELS），我们首先观察到激光诱导的π电子密度增加，伴随光谱峰展宽和蓝移特征，表明导电性增强和结构修饰。我们还通过监测等离子体类似共振峰的变化追踪了超快激光泵浦对体等离子体电子振荡的影响。此外，我们在实时空间中可视化了电缆细菌中激光诱导的化学结构变化。成像结果揭示了碳富集伴随氮和氧的耗尽，突显了化学动力学的可控性。此外，时间分辨EELS测量进一步揭示了π电子和等离子体特征在皮秒尺度上的衰减与恢复，归因于电子-声子耦合。除了揭示电缆细菌中电子运动的机制外，这些发现还展示了电导率的超快调制与切换，强调了其作为超快时间尺度运作的生物光电子元件的潜力。