物理学家利用超短激光脉冲探测光辐射的动态变化

2021年06月26日 21:39 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

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来探测钨晶体中光电子发射的动态。几乎一个世纪前,阿尔伯特·爱因斯坦因其对光电效应的解释而获得了诺贝尔物理学奖。爱因斯坦的理论发表于1905年,其中包含了光是由称为光子的粒子组成的观点。

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当光照射到物质上时,样品中的电子对输入的能量作出反应,这种相互作用产生了所谓的光电效应。光量子(光子)被材料吸收并激发束缚电子。根据光源的波长,这可能会导致电子的射出。相关材料的电子带结构对光发射的时间尺度有很大影响。

位于慕尼黑路德维希·马克西米利安大学(LMU)和马克斯·普朗克量子光学研究所(MPQ)的物理学家们现在对光发射现象进行了仔细的研究。他们测量了钨的带状结构对光电子发射动态的影响,并对其观察结果进行了理论解释。

由于阿托秒技术的发展和不断完善,现在这成为可能。一个 "阿托秒"也就是十亿分之一秒。重现性地产生持续几百阿托秒的激光脉冲序列的能力使研究人员能够通过定期"冻结活动"来跟踪光发射的过程--类似于频闪仪,但具有更好的时间分辨率。

在一系列的光电子光谱实验中,研究小组使用极紫外光的阿秒脉冲来探测钨晶体的光发射动态。每个脉冲包含几百个X射线光子,每个光子的能量足以使一个光电子移位。在安装在晶体前面的探测器的帮助下,研究小组能够从飞行时间和发射角度的角度来描述喷出的电子。

结果显示,与进入的光子相互作用的电子需要一点时间来对这种相遇作出反应。这一发现是通过采用一种新的方法来产生阿秒脉冲而实现的。由于引入了一个增强系数为35的无源腔体谐振器,新装置现在可以以每秒1840万次的速度产生阿秒脉冲,比以前类似系统中常见的脉冲高出大约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流量。

"由于带负电的光电子相互排斥,它们的动能会发生快速变化。为了描述它们的动力学特征,将它们分布在尽可能多的阿托秒脉冲中是很重要的,"联合第一作者Tobias Saule博士解释道。脉冲速率的增加意味着粒子几乎没有机会相互作用,因为它们在时间和空间上分布得很好,所以最大的能量分辨率在很大程度上得到了保留。通过这种方式,研究小组能够表明,就光发射的动力学而言,价带(即晶体中原子的最外层轨道)中相邻能量状态的电子,其角动量不同,对进入的光子做出反应的时间也有几十阿托秒的差异。

值得注意的是,晶体内的原子排列本身对光脉冲的到来和光电子的射出之间的延迟有可测量的影响。"晶体是由许多原子组成的,它们的原子核都带正电。每个原子核都是电动势的来源,它吸引着带负电的电子--就像一个圆孔作为弹珠的电位井一样,"Stephan Heinrich博士说,他也是该报告的共同第一作者。"当一个电子从一个晶体中移出时,所发生的事情有点像弹珠在一个有凹陷的桌子上的进展。"

这些凹陷代表了晶体中各个原子的位置,而且它们是有规律的。例如,大理石的轨迹直接受到它们存在的影响,而且它与在光滑表面上观察到的不同。"现在已经证明了晶体内的这种周期性电位是如何影响光发射的时间行为的--而且我们可以从理论上解释它,"Stephan Heinrich解释说。观察到的延迟可以归因于电子从晶体内部向表面传输的复杂性质,也可以归因于晶体内部和表面的相互作用。

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