物理学家使用Ultrashort激光脉冲来探测光曝光的动态

在霓虹灯射流中产生attosecond脉冲

气体原子的激发使共振腔内交叉的红外激光束(红色)对人体可见。出处:©Thorsten Naeser

慕尼黑路德维希-马克西米利安大学(LMU)和马克斯普朗克量子光学研究所(MPQ)的物理学家使用超短激光脉冲探测钨晶体中的光电子发射动力学。

差不多世纪以前,Albert Einstein收到了诺贝尔物理奖,以便他对光电效果的解释。Einstein的理论在1905年发表了一种想法,即光由称为光子的颗粒组成。当光线撞击物质时,样品中的电子响应能量的输入,并且相互作用产生了所谓的光电效果。光量子(光子)被材料吸收并激发结合的电子。取决于光源的波长,这可能导致电子的喷射。所涉及的材料的电子带结构对光射训练的时间表具有显着影响。

位于慕尼黑的路德维希-马克西米利安大学(LMU)和马克斯普朗克量子光学研究所(MPQ)的物理学家们现在对光电发射现象进行了更深入的研究。他们测量了钨的能带结构对光电子发射动力学的影响,并为他们的观测提供了理论解释。

多亏了阿秒技术的发展和不断的改进,这一切现在都成为可能。阿秒对应10-18一秒钟,即十亿分之十亿分之一。可重复生成持续几百个attoseconds的激光脉冲列车的能力使研究人员能够通过“冻结”定期间隔“冻结” - 类似于频闪仪,但具有更好的时间分辨率。

在一系列光电子能谱实验中,该团队使用阿秒极紫外光脉冲来探测钨晶体的光电发射动力学。每个脉冲包含几百个x射线光子,每一个光子的能量都足以驱逐一个光电子。在晶体前安装的探测器的帮助下,研究小组能够根据电子的飞行时间和发射角度来描述发射电子的特征。

结果显示,与入射光子相互作用的电子需要一点时间才能对这种碰撞做出反应。由于采用了一种产生阿秒脉冲的新方法,这一发现成为可能。由于引入了增强因子为35的无源腔谐振器,新装置现在可以以每秒1840万阿秒的速度产生脉冲,大约是以前同类系统的1000倍。由于脉冲重复率如此之高,每个脉冲只有很少的光电子就足以提供高的平均通量。

“由于带负电荷的光电子相互排斥,它们的动能会迅速变化。为了描述它们的动力学特性,将它们分散到尽可能多的阿秒脉冲中是很重要的。”联合第一作者Tobias Saule博士解释道。由于粒子在时间和空间上分布均匀,脉冲频率的增加意味着粒子之间几乎没有相互作用的机会,从而很大程度上保留了最大的能量分辨率。通过这种方式,团队能够表明,在光电发射的动力学方面,在价带电子在邻近的能量状态(即晶体中原子的最外层轨道),也有不同的角动量相差几十阿秒他们花费的时间响应传入的光子。

值得注意的是,晶体本身内的原子的布置对光脉冲到达和光电子的喷射之间的延迟具有可测量的影响。“晶体由众多原子组成,所有核都被带正电荷。每个核是电势的来源,它吸引了带负电的电子 - 与圆孔充当大理石的潜在井的方式相同,“斯蒂芬·海因里希博士也联合了这份报告。“当电子从晶体中脱落时,会发生什么样的是横跨凹陷的桌子上的大理石的进展。

这些凹口代表了晶体中的各个原子的位置,并且定期组织。大理石的轨迹直接受到它们的存在影响,与光滑表面上的观察结果不同,“他指出。“我们现在已经证明了晶体中的这种周期性潜力如何影响光曝光的时间行为 - 我们可以理解地占据它,”斯蒂芬希里奇解释说。所观察到的延迟可以归因于电子传输从内部到晶体表面的复杂性,并且对电子散射的影响和相关效果需要。

“我们的研究提供的见解开辟了在Attosecond Timescale上在凝聚的多电子系统中进行的复杂相互作用的实验研究的可能性。这反过来将让我们理论上理解,“LMU-Prof说。ULF Kleineberg领导了该项目。

从长远来看,这些新发现还可能导致具有增强光物质相互作用的电子特性的新材料,这将使太阳能电池更高效,并提高用于超快数据处理的纳米光学组件的开关率,并促进生物医学科学中使用的纳米系统的发展。

Reference: “Attosecond intra-valence band dynamics and resonant-photoemission delays in W(110)” by S. Heinrich, T. Saule, M. Högner, Y. Cui, V. S. Yakovlev, I. Pupeza and U. Kleineberg, 7 June 2021, Nature Communications.
DOI:10.1038 / S41467-021-23650-7

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