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“光Picoscope”-激光拍摄晶体中的电子图片

更新时间:2020-08-28 10:50点击:

研究人员使用强大的激光照射晶体材料薄膜。这些激光脉冲驱使晶体电子快速摆动。当这些电子与周围的电子一起反弹时,它们会发射出光谱中极紫外线部分的辐射。通过分析这种辐射的性质,研究人员合成了一些图片,说明了电子云是如何在固体晶格中的原子之间分布的,分辨率只有几十个比米,也就是十亿分之一毫米。

这些实验为开发一种新型的激光显微镜铺平了道路,这种显微镜可以让物理学家、化学家和材料科学家以前所未有的分辨率观察微观世界的细节,并深入理解并最终控制材料的化学和电子特性。

几十年来,科学家们一直利用激光的闪光来了解微观世界的内部工作原理。这种激光现在可以追踪固体内部的超快微观过程。但他们仍然无法在空间上解析电子,也就是说,看电子如何占据晶体中原子之间的微小空间,以及它们如何形成将原子结合在一起的化学键。其原因众所周知。它是一个多世纪前由阿贝神父发现的。可见光只能分辨大约几百纳米波长大小可公度的物体。但要看到电子,显微镜必须将其放大率提高几千倍。

为了克服这一局限,古利尔马基和同事们选择了一条不同的道路。他们发明了一种用强激光脉冲工作的显微镜。他们将他们的设备命名为光镜。

强大的激光脉冲可以迫使晶体材料内部的电子成为周围空间的摄影师。当激光脉冲穿透晶体内部时,它可以抓住一个电子并驱动它快速摆动。当电子移动时,它会感受到周围的空间,就像你的车感受到崎岖不平的道路的不平表面一样。该组织的研究员Harshit Lakhotia说。当激光驱动的电子穿过由其他电子或原子构成的碰撞时,它会减速并以比激光高得多的频率发射辐射。

通过记录和分析这种辐射的性质,我们可以推断出这些微小突起的形状,我们可以画出显示晶体中电子密度高或低的图片。极端光子学实验室的博士研究员金熙勇(Hee-Yong Kim)说。激光显微镜结合了窥视大量物质(如x射线)和探测价电子的能力。后者可以通过扫描隧道显微镜来实现,但只能在表面上实现。

有了能够探测的显微镜,我们可能很快就能对计算固体物理工具的性能进行基准测试。来自北京物理研究所的理论固体物理学家盛孟说。我们可以优化现代的、最先进的模型,以更精细的细节来预测材料的性能。这是激光显微镜所带来的一个令人兴奋的方面。他继续说。

现在研究人员正致力于进一步发展这项技术。他们计划在三维空间中探测电子,并进一步用包括二维和拓扑材料在内的广泛材料对该方法进行基准测试。因为激光显微镜可以很容易地与时间分辨激光技术结合起来,所以不久就有可能记录材料中关于电子的真实电影。这是超快科学和物质微观学界长期追求的目标。Goulielmakis总结道。