百科网

首页 > 文化教育 > 科学探索

科学探索

超快电子动力学的突破

科学探索万象经验2024-03-12

光是一种电磁波,它可以携带能量和动量,并与物质发生相互作用。当光照射到一个固体表面时,它可以把一些电子从固体里打出来,这就是光电效应。这些电子被称为光电子,它们可以告诉我们很多关于固体的信息,比如它的结构、化学成分、电子态和动力学等。

但是,要想真正了解光电子是如何从固体中逃逸出来的,我们需要用非常短的光脉冲来激发它们,然后用另一个非常短的光脉冲来探测它们。这样,我们就可以测量光电子的能量和时间,从而得到它们的动力学信息。这就是时间分辨光电子谱学的基本原理。

那么,什么样的光脉冲才算非常短呢?答案是,阿秒级别的。阿秒是 10^-18 秒,这个时间非常非常短,以至于在这个时间内,光只能走 0.3 纳米。用这样短的光脉冲来激发和探测光电子,就可以达到阿秒级别的时间分辨率,这就是阿秒光电子谱学的魅力。

但是,要产生阿秒光脉冲并不容易。目前,最常用的方法是利用高次谐波发生,也就是用一个强的可见光或近红外光脉冲来激发一个气体原子,使其电子被拉出原子核的束缚,然后再被弹回去,从而发射出一个极紫外或软 X 射线的光子。这个过程可以重复多次,从而产生一系列的极紫外或软 X 射线光子,它们的能量是可见光或近红外光的整数倍,这就是高次谐波。如果我们把这些高次谐波光子合成起来,就可以得到一个阿秒光脉冲,这就是高次谐波发生法。
摘自: www.ws46.com

但是,这种方法也有一些局限性。首先,高次谐波的效率非常低,也就是说,只有很少一部分的可见光或近红外光能转化成极紫外或软 X 射线。其次,高次谐波的频谱非常宽,它包含了很多不同能量的光子,这会导致阿秒光脉冲的相干性降低。最后,高次谐波的重复率非常低,它只能跟随可见光或近红外光的重复率,而这通常只有几千赫兹到几兆赫兹,这对于时间分辨光电子谱学来说是远远不够的。

那么,有没有更好的方法呢?答案是,有的。最近,一些物理学家发明了一种新的方法,叫做极紫外阿秒脉冲对法,也就是用两个极紫外阿秒脉冲来激发和探测光电子。这种方法的优点是,极紫外阿秒脉冲的效率更高,频谱更窄,重复率更高,而且可以直接用于光电子显微镜,从而实现空间分辨的阿秒光电子谱学。

那么,这种方法是如何实现的呢?答案是,利用了一种叫做光学参量放大的现象,也就是用一个强的泵浦光脉冲来激发一个非线性晶体,使其发射出一个与泵浦光脉冲相干的信号光脉冲和闸门光脉冲,它们的能量之和等于泵浦光脉冲的能量,这就是光学参量放大。如果我们把信号光脉冲和闸门光脉冲都聚焦到一个气体原子上,就可以产生两个极紫外阿秒脉冲,它们的能量之和等于信号光脉冲和闸门光脉冲的能量,这就是极紫外阿秒脉冲对法。

这种方法的关键是,信号光脉冲和闸门光脉冲的相对延迟可以精确地控制,从而可以调节两个极紫外阿秒脉冲的相对延迟。这样,我们就可以用其中一个极紫外阿秒脉冲来激发光电子,用另一个极紫外阿秒脉冲来探测光电子,从而实现阿秒光电子干涉。这种干涉会在光电子的能谱上产生一种叫做阿秒拍的现象,也就是能谱上的振荡信号,它的频率等于两个极紫外阿秒脉冲的能量差,它的相位则取决于两个极紫外阿秒脉冲的相对延迟。通过测量阿秒拍的频率和相位,我们就可以得到光电子的动力学信息。

这种方法的另一个关键是,极紫外阿秒脉冲的重复率可以达到几百兆赫兹,这是因为信号光脉冲和闸门光脉冲的重复率可以达到几百兆赫兹,而且它们可以用一个叫做锁相环的装置来同步,从而保证它们的相对延迟不变。这样,我们就可以用一个叫做光电子显微镜的仪器来测量光电子的空间分布,从而实现空间分辨的阿秒光电子谱学。

这种方法的最后一个关键是,极紫外阿秒脉冲的能量可以选择在 10 到 100 eV 之间,这样就可以激发固体表面的价带和最高原子轨道,从而探测固体表面的电子态和动力学。这就是最近一篇论文的主要内容。

论文的作者选择了一种叫做ZnO的材料作为实验对象,它是一种具有六角晶系结构的半导体,它的价带最高占据态是O 2p轨道,而导带最低空穴态是Zn 4s轨道。这种材料有很多应用,比如光电器件、催化剂、传感器等。作者想要研究 ZnO 表面的光电子动力学,也就是光电子是如何从价带到导带的跃迁,以及从导带到真空的逃逸的。

为了实现这个目的,论文的作者们使用了极紫外阿秒脉冲对法,他们用一个泵浦光脉冲来激发 ZnO 表面的光电子,用一个探测光脉冲来探测 ZnO 表面的光电子,从而得到光电子的能谱和阿秒拍。他们分别调节了泵浦光脉冲和探测兄弟的能量和相对延迟,从而探索了不同的光电子动力学过程。