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固体中自由电子的超快摄像

发布:opticsphotonics    |    2017-09-19 10:09    阅读:851
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阿秒闪光灯和X射线照射瞬间固体中闪现的电子。由MPQ,Attoelectronics课题组供图

当X射线照射到固体材料或大分子材料上时,电子被从原子核附近的原始位置推离,留下一个空穴。长期以来,科学家们怀疑释放的电子和带正电的空穴形成了一种被称为“核心激子”的新型准粒子。但到目前为止,还没有一个真正的证据证明它的存在。科学家能够利用各种工具来实时跟踪半导体中的激子,这些由普通光产生的激子,可用于光电子学和微电子学中的各种应用。相反,核心激子却是非常短暂的,到目前为止,没有技术能够跟踪它们的运动和推断它们的特性。

由Max Planck量子光学研究所“阿秒电子(Attoelectronics)”课题组负责人Eleftherios Goulielmakis博士领导的科学家团队已经能够实时捕获固体中核心激子的运动状态。使用闪烁的X射线持续照射几百阿秒(1阿秒= 10-18秒),然后利用光学闪光灯(该课题组去年开发的工具)照射相同时间,科学家们获得了一种超快相机,他们使用该超快相机第一次拍摄到二氧化硅中的短寿命激子。这项研究发表在本周的《科学》杂志上。

“核心激子的寿命很短,由于它们与固体中其它颗粒的相互作用,使得自身很快就停止了运动。”这项工作的主要作者Antoine Moulet表示,“在量子力学中,我们说激子失去了一致性,”他补充道。

跟踪核心激子运动状态的关键工具是在光学领域发展的阿秒闪光灯。去年Attoelectronics课题组发布了该项研究。

“在我们的实验中,我们使用X射线来照射固体中的核心激子,而光学阿秒脉冲提供了实时跟踪核心激子运动的可能性。”目前担任加拿大拉瓦尔大学助理教授的Goulielmakis课题组前研究员Julien Bertrand说,“两者的结合使得我们能够拍摄大约750阿秒核心激子的运动。”

但该研究并不限于在固体材料内捕获这些短暂的运动。Goulielmakis说:“我们能够获得有关核心激子性质的定量信息,例如,仅比单个原子大的微型尺寸,以及被可见光极化的容易程度。“我们的技术推动了X射线领域中激子的测量、控制和应用,但与此同时,它是在自然时间尺度上研究固体中超快X射线引发过程的通用工具。X射线科学从未有过这样的能力。”

该团队现在设想应用此技术来研究固体界面上的超快过程,以及实现基于光场的X射线辐射超快速开关的新路线。Goulielmakis说:“随着X射线自由电子激光器在世界各地的迅速增长,用可见光控制X射线的能力变得越来越重要。”

来源:https://m.phys.org/news/2017-09-ultrafast-snapshots-electrons-solids.html

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