瑞典-德國團隊的一項突破性研究以無與倫比的精度追蹤了超快電子動態，為奈米材料和太陽能電池研究開闢了新途徑。當電子在分子或半導體中移動時，其時間尺度短得難以想像。包括奧爾登堡大學物理學家Jan Vogelsang 博士在內的瑞典-德國研究小組在更好地理解這些超快過程方面取得了重大進展： 研究人員利用雷射脈衝追蹤了氧化鋅晶體表面釋放出的電子的動態，其空間分辨率達到了奈米級，時間分辨率也是以前無法達到的。

實驗裝置示意圖： 阿秒脈衝（紫色）從晶體表面噴射出電子（綠色）。光電發射電子顯微鏡（頂部的錐形儀器）檢查電子的快速運動。圖片來源：Jan Vogelsang 編輯

透過這些實驗，研究小組證明了這種方法的適用性，可以用來更好地了解奈米材料和新型太陽能電池中的電子行為，以及其他應用。隆德大學的研究人員，包括去年三位諾貝爾物理學獎得主之一的安妮-勒惠利爾教授參與了這項研究，研究成果發表在科學期刊《先進物理學研究》上。

觀察隆德光發射電子顯微鏡的真空室： 研究團隊使用類似的設備來研究利用雷射脈衝從樣本釋放出來的電子。圖片來源：Jan Vogelsang

在實驗中，研究小組將一種被稱為光發射電子顯微鏡（PEEM）的特殊電子顯微鏡與阿秒物理技術結合。科學家使用持續時間極短的光脈衝來激發電子，並記錄它們隨後的行為。Vogelsang解釋說：”這個過程很像攝影中的閃光燈捕捉快速移動。阿秒的時間非常短，僅為十億分之一秒。”

正如研究小組所報告的，迄今為止，類似的實驗還無法達到追蹤電子運動所需的時間精度。這種微小的基本粒子的運動速度比體積更大、重量更重的原子核快得多。然而，在本研究中，科學家們能夠將光電發射電子顯微鏡和阿秒顯微鏡這兩種技術要求較高的技術結合起來，而不影響空間或時間解析度。Vogelsang說：「我們現在終於可以利用阿秒脈衝來詳細研究光與物質在原子層面和奈米結構中的相互作用了。”

技術突破與未來研究

要取得這項進展的一個因素是使用了一種每秒能產生大量阿秒脈衝閃光的光源–在這種情況下，每秒能產生20 萬個光脈衝。每次閃光平均從晶體表面釋放出一個電子，使研究人員能夠在不相互影響的情況下研究它們的行為。每秒產生的脈衝越多，就越容易從資料集中提取出小的測量訊號。

瑞典隆德大學的Anne L’Huillier 實驗室（本研究的實驗就在這裡進行）是世界上少數擁有此類實驗所需技術設備的研究實驗室之一。2017年至2020年在隆德大學擔任博士後研究員的沃格爾桑目前正在奧爾登堡大學建立一個類似的實驗實驗室。未來，兩個團隊計劃繼續進行研究，探索電子在各種材料和奈米結構中的行為。

編譯來源：ScitechDaily