长三角G60激光联盟导读

当电子在分子或半导体中移动时，其时间尺度短得难以想象。奥尔登堡大学的 Jan Vogelsang 博士在内的瑞典-德国团队在这些超快过程方面取得了重大进展：研究人员能够使用纳米范围的空间分辨率和以前未达到的时间分辨率的激光脉冲跟踪氧化锌晶体表面释放的电子的动力学。相关论文以“Time-Resolved Photoemission Electron Microscopy on a ZnO Surface Using an Extreme Ultraviolet Attosecond Pulse Pair”为题发表在《Advanced Physics Research》上。

通过这些实验，研究小组证明了这种方法的适用性，可用于更好地了解电子在纳米材料和新型太阳能电池等中的电子行为。瑞典隆德大学的研究人员，包括去年三位诺贝尔物理学奖得主之一的Anne L'Huillier教授博士，也参与了这项研究。

在此，这项工作展示了利用空间和能量分辨光电子对氧化锌(ZnO)表面进行的阿秒干涉测量实验。光发射电子显微镜与近红外泵浦-极紫外探针激光光谱相结合，以高空间分辨率解析了红外场的瞬时相位。研究结果表明，具有低结合能的氧化锌核能级非常适合进行空间分辨的阿秒干涉测量实验。在整个激光焦点上观察到了阿秒拍频信号的明显相移，这归因于表面泵浦场和探针场之间的波前差异。

图1:实验装置的表征。

在实验中，研究小组将一种光发射电子显微镜(PEEM)的特殊电子显微镜与阿秒物理学技术相结合。科学家们使用持续时间极短的光脉冲来激发电子并记录它们随后的行为。这个过程很像摄影中闪光灯捕捉快速运动的过程。

正如研究小组所报告的那样，类似的实验至今未能达到跟踪电子运动所需的时间精度。这种微小的基本粒子的运动速度要比体积更大、重量更重的原子核快得多。然而，在本研究中，科学家们将光发射电子显微镜和阿秒显微镜这两种技术要求极高的技术结合在一起，同时不影响空间或时间分辨率。

图2：氧化锌表面的光谱结果。

Vogelsang说："现在终于可以利用阿秒脉冲来详细研究光与物质在原子层面和纳米结构中的相互作用了"。

取得这一进展的一个因素是使用了一种每秒能产生大量阿秒脉冲闪光的光源--在这种情况下，这种光源每秒能产生 20 万个光脉冲。每次闪光平均从晶体表面释放出一个电子，这样研究人员就可以研究它们的行为，而不会相互影响。每秒产生的脉冲越多，就越容易从数据集中提取出小的测量信号。

图3：氧化锌表面的空间分辨阿秒干涉测量。

本研究的实验是在瑞典隆德大学Anne L'Huillier的实验室进行的，该实验室是世界上为数不多的拥有此类实验所需技术设备的研究实验室之一。

目前正在奥尔登堡大学建立一个类似的实验实验室。未来，两个团队计划继续开展研究，探索电子在各种材料和纳米结构中的行为。

这项工作为在原子尺度表面领域进行高空间分辨率的阿秒干涉测量提供了明确途径，为详细了解纳米级光与物质的相互作用开辟了道路。