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紫外阿秒激光探测电子超快跳跃

2015-02-23 02:00
吃瓜天狼
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  最近,有两篇研究关注极紫外阿秒激光光谱在探测电子超快跳跃方面的重要性。其中一篇研究是美国、日本和德国的科学家使用阿秒X射线脉冲,拍摄半导体电子在价带激发,跨越能隙跃迁到导带的快照。另一篇研究是德国和西班牙的研究人员使用极紫外线阿秒脉冲拍摄和控制氦原子中两电子波群的运动。

  跳跃能带:运动图片

  第一篇研究重点关注半导体物理的基本过程,实际上,现代电子学都是从价带到导带的电子转移。尤其是著名的光电效应,实际是金属或者半导体材料在入射光照射下产生电子激发。

  尤其是半导体材料,普通半导体材料用合适波长、高强度激光加热可以激发出电子,从价带跨过能隙跃迁传导带,使材料暂时导电。二极管和晶体管从价带到导带的电子转移,是其成为现代电子产品和计算机的核心基础。但局限是转移速度大约为450阿秒,即1纳秒的4500亿分之一,难以进行详细研究。

  为了解决这个问题,研究人员用近红外光超短脉冲轰击半导体硅晶体,产生电子进入导带。随后他们用持续时间为几十阿秒的极紫外激光脉冲照射材料。

  根据该团队领导、加州大学伯克利分校的Stephen Leone介绍,材料对极紫外的吸收光谱变化让他们可以跟踪足够短时间的激发过程,拍摄记录激发、带隙跳跃过程。时间分辨技术能够分辨在半飞秒速率下操作时产生的电子转移,以及由于机械晶格运动引起的很慢(大约60飞秒)的能带改变而产生的电子转移。

  图1 科学家利用超短激光光谱阐明半导体晶体中从价带跃迁到导带的450阿秒电子跳跃(上图)和1飞秒下氦电子对的脉冲运动(下图)

  电子对编排

  第二篇研究利用极紫外阿秒光谱重点关注不同种类的电子运动:自由原子系统中多带电子的运动。这种运动发生在物质形成时原子合成分子的过程。但是当观察单个电子运动时,即使在阿秒时间内,多电子相关运动的观察仍然是一个棘手的问题。

  为了捕捉氦原子相关电子对的脉冲运动,这个由德国和西班牙组成的团队同样转向了极紫外阿秒激光光谱。在实验中,他们在相关两个电子群的1.2飞秒量子拍击特性时,发射紫外阿秒激光脉冲穿过氦气容器,产生电子脉冲。这种拍击可以在短暂阿秒吸收光谱中显示出来。

  他们使用弱可见光激光脉冲对原子进行照明。通过调整紫外和可见脉冲的延时和脉冲强度 ,在极短的时间段重现电子的位置,甚至控制两个电子的运动。

  该文章指出,科学家相信通过对两电子运动状态的研究和控制,最终将产生新型物质组成。例如将来某一天,超短、定制的光场可以推动电子系统有良好的配置来创造新的、外来的、超出传统物质的组成分子。

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