实验装置示意图：阿秒脉冲（紫色）从晶体表面喷射电子（绿色）。光发射电子显微镜（顶部的锥形仪器）检查电子的快速运动。
瑞典-德国团队的一项开创性研究以无与伦比的精度跟踪了超快电子动力学，为纳米材料和太阳能电池研究开辟了新的途径。
当电子在分子或半导体内移动时，这发生在难以想象的短时间尺度上。包括奥尔登堡大学物理学家Jan Vogelsang博士在内的瑞典-德国研究小组现在在更好地理解这些超快过程方面取得了重大进展：研究人员能够使用激光脉冲跟踪氧化锌晶体表面释放的电子动力学，其空间分辨率在纳米范围内，并且以前无法达到的时间分辨率。
电子行为研究的进展
通过这些实验，该团队证明了一种方法的适用性，该方法可用于更好地了解纳米材料和新型太阳能电池中的电子行为，以及其他应用。隆德大学的研究人员，包括去年三位诺贝尔物理学奖获得者之一的Anne L’Huillier教授，参与了这项研究，该研究发表在科学杂志《高级物理研究》上。
观察隆德光发射电子显微镜的真空室：研究小组使用类似的设备来研究使用激光脉冲从样品中释放的电子。
在他们的实验中，研究团队将一种称为光发射电子显微镜（PEEM）的特殊类型的电子显微镜与阿秒物理技术相结合。科学家们使用极短的光脉冲来激发电子并记录其后续行为。“这个过程很像闪光灯捕捉摄影中的快速运动，”Vogelsang解释道。阿秒非常短——只有十亿分之一秒的十亿分之一。
结合先进技术提高准确性
正如该团队所报告的那样，到目前为止，类似的实验未能达到跟踪电子运动所需的时间精度。微小的基本粒子比更大更重的原子核嗖嗖作响。然而，在本研究中，科学家们能够结合两种技术要求很高的技术，即光发射电子显微镜和阿秒显微镜，而不会影响空间或时间分辨率。“我们现在终于达到了可以使用阿秒脉冲在原子水平和纳米结构中详细研究光和物质相互作用的地步，”Vogelsang说。
技术突破与未来研究
使这一进展成为可能的因素之一是使用了每秒产生特别高的阿秒闪光量的光源——在这种情况下，每秒产生 200,000 个光脉冲。每次闪光平均从晶体表面释放一个电子，使研究人员能够在不相互影响的情况下研究它们的行为。“每秒生成的脉冲越多，就越容易从数据集中提取小的测量信号，”物理学家解释说。
Anne L’Huillier在隆德大学（瑞典）的实验室是本研究实验的进行地，是全球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。2017年至2020年在隆德大学担任博士后研究员的福格申目前正在奥尔登堡大学建立一个类似的实验实验室。未来，两个团队计划继续他们的研究，探索电子在各种材料和纳米结构中的行为。
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