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科学家发现了光和金的相互作用机制

发布:optics1    |    2018-06-07 23:55    阅读:1120
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亚特兰大,2018年6月5日

近期,物理学家们设计出了一种在金薄膜与光相互作用后可以确定出其电子性质的方法,这个发现可以帮助人们进一步科学地理解光是如何影响物质的。当吸光材料吸收光子时,光子的能量被吸收转移到材料中的电子,光子消失,低能级的电子会被激发到另一个能级。由于这个过程涉及到了许多光子、原子和电子,而且它发生得非常快,所以科学家如果要为整个过程实现实验室建模,这将会是计算能力上的一个巨大挑战。

图1 在金属纳米系统中建立对超快非热过程的基本认知体系将会促进其在光电探测、光化学和光子电路中的应用。在此致谢提供图片的埃默里大学

埃默里大学的物理学家们利用实验和理论模型对实验数据进行分析和译解, 直接确定出了薄膜中的非热分布、热分布和动力学机制。他们将费米能级附近的反射率变化与介电函数和能带被单电子占据概率的变化联系起来,对光泵浦—探测数据进行了一个双反演过程的处理。

在正入射测量中应用埃默里大学团队的方法时,结果显示出了一个非费米—狄拉克分布的超快激发过程和随后的热化动力学过程。当该研究团队又把此方法应用到克里施曼配置中时,结果显示由于朗道阻尼被加强,传播等离子体的激发会导致一个更广泛的电子能量分布。

在实验中,用两个极短的脉冲把光照射在金纳米层上,第一束光脉冲被金吸收,第二束光脉冲测量了吸收的结果,显示出了电子如何从基态变为激发态。金通常在绿光的频率段吸收光线,但是当它变成纳米层的形式时,它便可以吸收更长波长的光。

物理学家Hayk Harutyunyan说:“光学现象是一个如此基础的物理现象,以至于我们把它们的发生当成理所当然的,但是我们还没有完全了解到光是如何与材料相互作用的。在一定的激发角度下,我们能够诱导电子跃迁,这些跃迁不仅仅只是频率不同,而是属于不同的物理过程。我们能够追踪这一过程随着时间的演变,并对这些跃迁为什么发生以及它们是如何发生的做演示。”

用这种方法,科学家可以更好地理解光和物质之间的相互作用,而这种相互作用便是物质吸收光的基础,反过来,这又可以产生对光与材料之间相互作用进行调整和管理的方法——比如,光与光伏能源电池或者光与光学传感器。

研究人员计划继续改进他们在金材料上使用的这种方法,同时他们也会对其他材料试验这种方法。Harutyunyan说:“最终,我们会证明这是一种可广泛应用于许多有用材料的方法。”

该研究源于埃默里大学研究团队与来自阿尔贡国家实验室和俄亥俄大学的研究人员的合作。

来源: https://www.photonics.com/a63517/Scientists_Discover_How_Light_and_Gold_Interact?refer=picks

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