前沿 | 激光物理學(xué)家直接觀察光注入后的第一個(gè)飛秒
發(fā)布時(shí)間:2023-05-29 來(lái)源:激光網(wǎng)
激光脈沖撞擊固體中的電子。如果它從光波中接收到足夠的能量,它就可以在固體中自由移動(dòng)。這種自量子力學(xué)誕生以來(lái)科學(xué)家們一直在探索的現(xiàn)象被稱(chēng)為光注入。關(guān)于相關(guān)過(guò)程如何及時(shí)展開(kāi),仍然存在懸而未決的問(wèn)題。

LMU的attoworld團(tuán)隊(duì)和馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所的激光物理學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)直接觀察了硅和二氧化硅的光學(xué)特性在用強(qiáng)激光脈沖進(jìn)行光注入后的最初幾飛秒(十億分之一秒的百萬(wàn)分之一秒)中是如何演變的。
當(dāng)涉及到阿爾伯特·愛(ài)因斯坦解釋的光電效應(yīng)時(shí),這種光注入的物理學(xué)相對(duì)簡(jiǎn)單。在這里,電子吸收單個(gè)光子,該光子具有足夠的能量,可以將電子從限制其運(yùn)動(dòng)的電位中釋放出來(lái)。當(dāng)光波中沒(méi)有光子有足夠的能量這樣做時(shí),情況會(huì)變得更加復(fù)雜。在這種情況下,結(jié)合的電子可以通過(guò)一次吸收多個(gè)光子或通過(guò)量子隧穿而變得自由。這些是非線(xiàn)性過(guò)程,只有在電場(chǎng)很強(qiáng)時(shí)才有效,這意味著只有激光脈沖的中心部分才能有效地驅(qū)動(dòng)它們。
借助阿秒科學(xué)的工具,可以在光脈沖的單個(gè)半周期內(nèi)產(chǎn)生大多數(shù)電荷載流子,從而在短短幾飛秒內(nèi)將固體的電導(dǎo)率提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。LMU和馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所的attoworld團(tuán)隊(duì)的激光物理學(xué)家研究了超快光注入后固體改變其光學(xué)特性的速度。為此,他們通過(guò)薄樣本發(fā)送了兩個(gè)短周期脈沖:產(chǎn)生電荷載流子的強(qiáng)泵浦脈沖和與它們相互作用的弱測(cè)試脈沖。
由于光注入被限制在短于測(cè)試場(chǎng)半個(gè)周期的時(shí)間間隔內(nèi),因此可以觀察到電荷載流子在出現(xiàn)后的第一個(gè)飛秒內(nèi)如何與測(cè)試場(chǎng)相互作用。該信息被編碼在光注入印在測(cè)試脈沖的瞬態(tài)電場(chǎng)上的失真中??茖W(xué)家們使用一種新穎的光場(chǎng)采樣技術(shù)測(cè)量了這些失真,并重復(fù)測(cè)量了兩個(gè)脈沖之間的許多延遲。光學(xué)場(chǎng)分辨泵浦探頭測(cè)量的創(chuàng)新技術(shù)現(xiàn)在使attoworld團(tuán)隊(duì)能夠在光注入期間和之后直接訪(fǎng)問(wèn)光驅(qū)動(dòng)的電流?!白钪匾慕Y(jié)果是,我們現(xiàn)在知道如何進(jìn)行和分析這樣的實(shí)驗(yàn),而且我們確實(shí)看到了光驅(qū)動(dòng)的電子運(yùn)動(dòng),這是以前沒(méi)有人能做到的,”發(fā)表在《自然》雜志上的這項(xiàng)研究的最后一位作者弗拉迪斯拉夫·雅科夫列夫說(shuō)。“我們驚訝地發(fā)現(xiàn)沒(méi)有明顯的準(zhǔn)粒子形成跡象,”雅科夫列夫進(jìn)一步解釋道。“這意味著,在這些特定的測(cè)量中,多體物理測(cè)量對(duì)光注入后介質(zhì)的電導(dǎo)率如何建立沒(méi)有太大影響,但我們可能會(huì)在未來(lái)看到一些更奇特的物理學(xué)。所有現(xiàn)代電子產(chǎn)品都基于通過(guò)快速增加和減少電荷載流子在電路中移動(dòng)的能力來(lái)控制電荷載流子的流動(dòng)。attoworld團(tuán)隊(duì)的研究是關(guān)于使用光達(dá)到這種控制的最終速度極限。新發(fā)現(xiàn)最終可能有助于實(shí)現(xiàn)佩赫茲范圍內(nèi)的未來(lái)信號(hào)處理,使所謂的光波電子成為可能。這將使今天的電子產(chǎn)品加速約100萬(wàn)倍。“我認(rèn)為,我們只是觸及了泵浦探頭現(xiàn)場(chǎng)分辨測(cè)量可以做的表面。有了我們的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解,其他研究人員現(xiàn)在可以使用我們的方法來(lái)回答他們的問(wèn)題,“雅科夫列夫說(shuō)。
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