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纳米天线为紧凑型拍赫兹示波器铺平了道路

发布:RuiChaoDong阅读:621时间:2021-4-22 12:46:09

       来自麻省理工学院(美国波士顿)、DESY、汉堡大学和加州大学戴维斯分校(美国)的研究团队已经成功地在金属纳米天线上产生了持续时间仅为几百个阿秒的电子脉冲, 并且用它们测量了极弱的电场。 一阿秒相当于十亿分之一秒的十亿分之一(10-18秒)。在以前的研究中,类似的测量只有用能产生阿秒紫外脉冲的精密激光装置才能进行。现在证实的方法无需使用复杂的激光或真空装置,只是用了简单的光纤激光器装置和小型集成芯片,扫描电场的灵敏度能够要比以前好一百万倍。该研究的主要作者之一、DESY研究人员Felix Ritzkowsky解释说,“利用我们的新技术,我们甚至可以制造出能够观察光振荡的示波器”,该国际团队现在已将此研究发表在《自然光子学》杂志上。

 

        自上个世纪以来,示波器一直是最重要的科学仪器之一,并且几乎在世界上每个实验室中都可以找到。从医学上记录频率在赫兹范围内的心电图(ECG)(1赫兹(Hz)是每秒一次振荡)到兆赫兹(106 Hz)范围内的无线电和千兆赫兹(109 Hz)范围内的现代计算机,它可以使具有广泛的信号强度和频率范围的电信号可视化。使这些短时间范围内的信号可视化让我们可以深入了解物理系统及其性能。

 

       示波器通过离散采样记录电场,是与观测频率无关的。因此,它通过在比波周期短得多的间隔内确定波的各自高度来测量波的形状。在常规电子设备中,这类似于频闪照相系列,是通过快速切换电路并读取信号的瞬时场强完成的。

 

       在现代光学中,处理例如拍赫兹(1015 Hz)范围内的电磁波时,由于常规示波器无法直接使用,因此需要使用多种直接和间接光学方法来记录光波。

 

       然而,在他们目前的研究中,研究人员现在已经能够证明,常规示波器的扫描技术也可以适用于纳米天线中电子脉冲的阿秒切换。

 

       利用这些只有数百纳米的金属纳米天线可以有效地捕获光波并且能使天线以光的频率振荡。被该团队捕捉到的闪光非常短,它们只包含光波的两次振荡。它们产生的振荡足以使电子发生量子隧穿发射,产生数百阿秒的短电脉冲。类似于太阳能电池或光电二极管,通过同时使用许多纳米天线,并且可以增加电流,可以使用常规电子设备测量释放的电荷。为了扫描电场,现在可以使用飞秒激光脉冲生成阿秒电流脉冲。如果该电流与要测量的第二个电场或光波相互作用,则该电场的瞬时电压会在电流脉冲的振幅上引起微小变化。这个变化可以用电子学方法读取。现在如果在很短的间隔重复执行此操作,就可以重建完整的电信号。由于采样脉冲的极短性,该技术可潜在地用于测量频率低于拍赫兹范围的信号。

 

       这项技术是超短光脉冲与物质相互作用应用中的重要进展,将允许以更高的灵敏度和阿秒分辨率及时研究新的现象。对麻省理工学院这个研究方向有影响的、汉堡DESY的首席科学家FranzKärtner说,“新型的拍赫兹示波器有可能从根本上改变光学领域的测量技术,尤其是光谱学”,“该方法可以使用一台仪器通过光谱学确定从微波范围到紫外线范围的传输振幅和相位,而该仪器在将来可以缩小为芯片大小的尺寸”。麻省理工学院该项目的首席研究员菲利普·凯斯利Phillip Keathley展望了其广泛的潜在应用:“例如,这种方法将帮助研究人员更好地了解植物或光伏中光的吸收机理,或更好地识别复杂生物系统中的分子指纹 ”。

 

 

金制纳米天线的扫描电子显微镜图像。这些三角形就是真正的纳米天线。类似避雷针,它们在顶端产生一个很高的电场。这个电场产生电子脉冲,该电子脉冲被长带状线捕获并随后用常规电子设备读出。(图片:M. Turchetti,麻省理工学院)

 

 

实验中使用的纳米天线在一块玻璃芯片上制成的,并完全集成到印刷电路板上。(图片:N.Abedzadeh,麻省理工学院)

 

         消息来源:https://photon-science.desy.de/news__events/news__highlights

/nanoantennas_pave_the_way_to_compact_petahertz_oscilloscopes/index_eng.html

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