世界最快相機之一：可觀測電子運動！

導讀

近日，德國基爾大學（CAU）的科研團隊在研究電子與環境之間的實時能量交換方面取得了成功，從而可以區分各個階段。在實驗中，他們通過一種超短強光脈衝照射石墨，並拍攝對電子行為產生的影響。

背景

光電轉換過程中，例如太陽能電池中，輸入的光能大部分會損失掉。其原因在於材料內部的電子行為。如果光線照射一種材料，它會在不足一秒的時間內激發電子，然後電子會把能量傳迴環境中。因為這些過程持續時間極短，僅為幾飛秒（一飛秒等於一千萬億分之一秒），所以迄今為止這些過程很難被觀測到。

創新

近日，德國基爾大學（CAU）實驗與應用物理研究所的團隊，在 Michael Bauer 教授與 Kai Ro?nagel 教授的領導下，在研究電子與環境之間的實時能量交換方面取得了成功，從而可以區分各個階段。在實驗中，他們通過一種超短強光脈衝照射石墨，並拍攝對電子行為產生的影響。綜合理解其中的基本過程，對於未來超高速光電元器件應用來說很重要。

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（圖片來源：Jürgen Haacks, CAU）

這項研究得到了德國研究基金會（DFG）的資助，發表在美國物理學會重點期刊《物理（Physics）》上。

技術

材料的特性取決於構成它的電子與原子。描述電子行為的基本模型是一種所謂的「費米氣體」概念，以諾貝爾獎獲得者恩利克·費米（Enrico Fermi）的名字命名。在這種模型中，材料中的電子被認為是一種氣體系統。這樣就可以描述它們之間的相互作用。為了在這種描述的基礎上實時觀察電子行為，Kiel 研究團隊開發了一項實驗，以研究極端的時間解析度：如果材料的樣本受到超高速光脈衝照射，電子會在短時間內被激發。第二個延遲的光脈衝從固體中釋放出一部分電子。在首個光激發之後，對於這些過程的詳細分析得出了關於材料電子特性的結論。一個特殊的攝像頭拍攝到了引進的光能是如何通過電子系統分配的。

Kiel 系統的特殊功能是達13飛秒的極高時間解析度。這使得它成為世界上最快速的電子相機之一。CAU 超快動力學教授 Michael Bauer 解釋道：「由於採用了持續時間極短的光脈衝，我們能夠實時拍攝超高速的處理畫面。我們的研究表明，這裡的東西數量驚人。」 Michael Bauer 與利用同步加速器輻射研究固體狀態的教授 Kai Ro?nagel 的工作小組一起開發了這個系統。

（圖片來源：Jürgen Haacks, CAU）

在他們目前的實驗室中，研究團隊通過持續時間僅為7飛秒的短暫強光脈衝照射石墨。石墨可以通過簡單的電子結構表徵。於是，基本過程能被觀察得特別清楚。在實驗中，施加影響的光線粒子，也稱為光子，干擾了電子的熱平衡。這種熱平衡描述了一種條件，在這種條件下，電子受到可精準定義的溫度影響。然後，Kiel 研究團隊拍攝了電子行為，直到 50飛秒之後恢復平衡。

科學家們這樣做時，觀察到了材料中大量受激電子與施加影響的光子、原子其他電子之間的相互作用過程。在拍攝的視頻鏡頭的基礎上，他們甚至可以區分這種超短時間中的不同階段：首先，在石墨中受輻照的電子吸收光子的光能，並由此將它轉化為電能。然後，在電子將能量轉遞至周圍原子之前，能量會分散到其他電子上。最後階段，電能最終永久地轉化為熱量；石墨變熱。

下圖所示：拍攝記錄首次展示了石墨樣本中的能量分布是如何在50飛秒的超短時間內產生變化的。

（圖片來源：參考資料【2】）

價值

Kiel 研究團隊的實驗也首次確認了理論預測。他們為在這種短時間尺度上一直難以研究的科研課題帶來了新觀點。Bauer 表示：「通過我們的新技術，這些基本的複雜過程首次得到了直接觀測。」

關鍵字

光電、電子、相機

參考資料

【1】http://www.uni-kiel.de/en/details/news/camera/

【2】Ultrafast Formation of a Fermi-Dirac Distributed Electron Gas, G. Rohde, A. Stange, A. Müller, M. Behrendt, L.-P. Oloff, K. Hanff, T.?J. Albert, P. Hein, K. Rossnagel, and M. Bauer, Phys. Rev. Lett. 121, 256401 (2018), Published December 19, 2018. DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.256401https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.256401

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