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研究人员拍摄记录到了光转化为电的超快过程

发布:optics1阅读:744时间:2018-12-26 16:52:27

来自德国基尔大学(CAU)的一个研究团队利用研究人员开发的超快速摄像系统拍摄了光能转换为固体的过程——这种转换在飞秒(fs)内完成。该团队能够实时观察电子与其环境的能量交换,并区分出各个阶段。

图1 利用德国基尔大学物理中心的超快速系统,可以实时拍摄电子的运动。在此致谢提供图片的基尔大学研究员JUrgen Haacks

研究人员用一个持续时间仅7 fs的短而强烈的光脉冲照射石墨样品,在吸收fs激光脉冲之后,拍摄到了在石墨中形成费米—狄拉克分布的电子气的不同阶段。石墨的特点是具有简单的电子结构,可以清楚地观察到其基本过程。

研究人员发现,撞击石墨的光子扰乱了电子的热平衡,这个平衡描述了电子中可精确定义的温度占优势的条件。研究小组拍摄记录了电子的运动,直到大约50 fs后恢复平衡。

图2 拍摄记录首次显示了石墨样品中的能量分布如何在50飞秒的超短周期内发生变化。 在此致谢提供图片的《物理评论快报》

通过拍摄电子的运动,研究人员能够观察到激发态电子与撞击光子以及材料中的原子和其他电子的许多相互作用过程。根据拍摄记录,他们甚至可以区分出这段超短时期内的不同阶段。首先,被辐射的电子吸收了石墨中光子的光能,将光子能转化为电能。然后,在将能量传递到周围原子之前,被辐射的电子的能量被分配到其他电子。在最后的过程中,电能转化为热能,使石墨升温。

据研究人员介绍,这种特殊的摄像机(世界上速度最快的照相机之一,其时间分辨率为13 fs)可以用来记录光能是如何通过电子结构体现其分布的。教授Michael Bauer表示:“鉴于使用的光脉冲持续时间极短,我们能够实时拍摄超快速过程,我们得出的结果表明,这个过程有很多惊人的物质反应。” 这个相机系统是Bauer及其团队与Kai Roßnagel教授及其研究小组合作开发的。

图3 基尔系统能够提供超快的光线,是世界上速度最快、功率最大的系统之一。在此致谢提供图片的德国基尔大学研究员JUrgen Haacks

这些实验证实了理论上的预测,并在一个鲜少有人研究的超快研究领域提供了新的研究视角。Bauer教授表示:“通过我们技术所带来的新可能性,这些基本的、复杂的过程可以第一次直接观察到。”足可预见,这种方法可用于研究和优化具有良好光学特性材料中光激发电子的超快运动。让人们更好地理解将光转换为电能所涉及的过程对于未来在超快光电子器件中的应用会是很重要的。

该项研究发表在了《物理评论快报》上。

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