瑞典-德国团队的一项突破性研究以无与伦比的精度跟踪了超快电子动态，为纳米材料和太阳能电池研究开辟了新途径。当电子在分子或半导体中移动时，其时间尺度短得难以想象。包括奥尔登堡大学物理学家 Jan Vogelsang 博士在内的瑞典-德国研究小组在更好地理解这些超快过程方面取得了重大进展： 研究人员利用激光脉冲跟踪了氧化锌晶体表面释放出的电子的动态，其空间分辨率达到了纳米级，时间分辨率也是以前无法达到的。
实验装置示意图： 阿秒脉冲（紫色）从晶体表面喷射出电子（绿色）。光电发射电子显微镜（顶部的锥形仪器）检查电子的快速运动。图片来源：Jan Vogelsang 编辑
通过这些实验，研究小组证明了这种方法的适用性，可以用来更好地了解纳米材料和新型太阳能电池中的电子行为，以及其他应用。隆德大学的研究人员，包括去年三位诺贝尔物理学奖得主之一的安妮-勒惠利尔教授参与了这项研究，研究成果发表在科学杂志《先进物理学研究》上。
观察隆德光发射电子显微镜的真空室： 研究小组使用类似的设备来研究利用激光脉冲从样品中释放出来的电子。图片来源：Jan Vogelsang
在实验中，研究小组将一种被称为光发射电子显微镜（PEEM）的特殊电子显微镜与阿秒物理学技术相结合。科学家们使用持续时间极短的光脉冲来激发电子，并记录它们随后的行为。Vogelsang解释说："这个过程很像摄影中的闪光灯捕捉快速运动。阿秒的时间非常短，仅为十亿分之一秒。"
正如研究小组所报告的，迄今为止，类似的实验还无法达到跟踪电子运动所需的时间精度。这种微小的基本粒子的运动速度比体积更大、重量更重的原子核要快得多。然而，在本研究中，科学家们能够将光电发射电子显微镜和阿秒显微镜这两种技术要求较高的技术结合起来，而不影响空间或时间分辨率。Vogelsang说："我们现在终于可以利用阿秒脉冲来详细研究光与物质在原子层面和纳米结构中的相互作用了。"
技术突破和未来研究
取得这一进展的一个因素是使用了一种每秒能产生大量阿秒脉冲闪光的光源--在这种情况下，每秒能产生 20 万个光脉冲。每次闪光平均从晶体表面释放出一个电子，从而使研究人员能够在不相互影响的情况下研究它们的行为。每秒产生的脉冲越多，就越容易从数据集中提取出小的测量信号。
瑞典隆德大学的 Anne L'Huillier 实验室（本研究的实验就在这里进行）是世界上少数几个拥有此类实验所需技术设备的研究实验室之一。2017年至2020年在隆德大学担任博士后研究员的沃格尔桑目前正在奥尔登堡大学建立一个类似的实验实验室。未来，两个团队计划继续开展研究，探索电子在各种材料和纳米结构中的行为。
编译来源：ScitechDaily