本文由多位作者共同撰写，主要作者包括： - D. Filippetto（Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California, USA） - P. Musumeci（University of California at Los Angeles, Los Angeles, California, USA） - R. K. Li（清华大学工程物理系，北京，中国） - B. J. Siwick 和 M. R. Otto（McGill University, Montreal, Quebec, Canada） - M. Centurion 和 J. P. F. Nunes（University of Nebraska-Lincoln, Lincoln, Nebraska, USA）
本文发表于2022年12月6日的《Reviews of Modern Physics》期刊，卷94，期4。
本文综述了超快电子衍射（Ultrafast Electron Diffraction, UED）领域的最新进展，重点介绍了超快电子束的物理与技术，以及其在可视化物质动态状态中的应用。自20世纪初电子波粒二象性被发现以来，电子散射技术已成为揭示物质原子结构的有力工具。近年来，研究重点转向了实时观察物质在超快时间尺度上的动态演化，这对于理解相变、化学反应动力学、电子与核自由度的耦合以及非平衡态物质的结构-功能关系具有重要意义。
超快电子脉冲在这一科学探索中扮演了关键角色，其生成得益于超快激光和粒子加速器技术的快速发展。本文总结了近几十年来该领域的显著进展，并讨论了超快电子束的生成、操控和表征技术，以及如何通过这些技术提高测量的时空分辨率。
本文分为多个部分，详细介绍了超快电子衍射的物理基础、技术进展及其在固态和气态样品中的应用。以下是各部分的要点：
电子作为物质的探针
电子衍射的有用性在于其能够从衍射图案中提取大量关于样品原子结构的信息。电子散射的基本原理涉及电子的波粒二象性，衍射效应源于电子波的散射。本文详细讨论了电子散射的物理机制，包括弹性散射和非弹性散射，以及如何从衍射图案中提取动态结构信息。
电子束亮度
电子束亮度是衡量电子束质量的重要指标，本文引入了六维相空间和六维亮度的概念，用于描述电子束的时空特性。高亮度电子束是实现高时空分辨率测量的关键。
超快电子散射仪器的不同模式
超快电子散射仪器有多种操作模式，包括衍射、成像和光谱学。本文重点介绍了超快电子衍射（UED）技术，并讨论了其在固态和气态样品中的应用。
固态样品中的动态测量
在固态样品中，UED可用于研究材料的序参量、激发和涌现现象。通过调节激发波长，UED可以跟踪选择性驱动的声子模式的线性和非线性行为，以及它们与其他自由度的耦合。
气态样品中的动态测量
在气态样品中，UED可用于揭示光化学反应背后的结构-功能关系。通过捕捉分子在光激发后的结构变化，UED能够解析核波包的相干运动以及能量重新分布的过程。
超快电子衍射的未来展望
本文最后讨论了UED技术的未来发展方向，包括提高探针尺寸、时间分辨率、信噪比以及超越衍射的其他应用。
电子散射的物理基础
电子散射的物理机制涉及电子的波粒二象性，衍射效应源于电子波的散射。本文通过详细的数学推导，展示了如何从衍射图案中提取动态结构信息。支持这一观点的证据包括电子散射的微分截面计算、弹性散射和非弹性散射的理论框架，以及实验数据的分析结果。
电子束亮度的定义与重要性
电子束亮度是衡量电子束质量的重要指标，本文引入了六维相空间和六维亮度的概念，用于描述电子束的时空特性。支持这一观点的证据包括电子束的相空间分布、亮度计算公式以及实验中对电子束亮度的测量结果。
超快电子衍射在固态样品中的应用
在固态样品中，UED可用于研究材料的序参量、激发和涌现现象。支持这一观点的证据包括UED在强关联材料和量子材料中的应用实例，以及通过UED观察到的光诱导相变和结构动力学。
超快电子衍射在气态样品中的应用
在气态样品中，UED可用于揭示光化学反应背后的结构-功能关系。支持这一观点的证据包括UED在光解离和环开反应中的应用实例，以及通过UED观察到的核波包运动和能量重新分布过程。
本文综述了超快电子衍射领域的最新进展，展示了该技术在研究物质动态状态中的巨大潜力。通过提高电子束的时空分辨率，UED为理解相变、化学反应动力学以及非平衡态物质的结构-功能关系提供了强有力的工具。本文不仅总结了当前的技术进展，还展望了未来的发展方向，为相关领域的研究者提供了宝贵的参考。
这篇综述文章为超快电子衍射领域的研究者提供了全面的技术背景和最新的研究进展，具有重要的学术价值和应用前景。