電子是一種亞原子粒子，屬于輕子的一種。長期以來，由于它的質量小（9.1x10-31千克），速度快（繞原子核一周只需要1.8x10^-16秒），雖然用處廣泛，卻難以觀測。
2008年2月，來自瑞典的幾位科學家首次拍攝到了單個電子的錄像，實現了歷史性的突破。
然而，想要拍攝固體內部的電子，因為電子數量眾多、環境復雜，更是難上加難。長期以來，科學家們沒有找到任何直接觀測的方法。
直到幾天前，來自沖繩科學技術大學院大學（Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University，OIST）的科學家們用他們的“飛秒照相機”成功地首次拍到了材料內部電子的運動軌跡，再度實現了突破。
自從1897年湯姆森（Thompson）發現電子之后，科學家試圖用多種方式來描述這種亞原子粒子的運動。電子太小，運動太快，不要說肉眼，甚至是光學顯微鏡都無法看到。所以，如何測量電子的運動，難倒了幾代科學家。
然而，沖繩科學技術大學院大學（Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University）的飛秒光譜實驗室，讓人類向觀測電子運動的目標邁進了一大步。該技術的相關文章于10月10日發表在了《Nature Nanotechnology》期刊上。
凱沙·達尼（Keshav Dani）教授是該實驗室的負責人，他表示，觀察材料中的電子運動，而不僅僅是根據材料的光電相互作用來推測電子的運動，是自己一直以來的夢想。
觀測電子運動，需要儀器具備極高的空間分辨率和時間分辨率，但是傳統儀器無法同時滿足這兩項要求。米切爾·曼（Michael Man）博士是實驗室的博士后，他將紫外光脈沖技術和電子顯微技術結合，用以觀察太陽能電池中的電子運動。
飛秒光譜技術對電子運動的高時間分辨率成像原理示意圖。800納米波長的激光（紅色）激發材料中的電子，266納米波長（藍色）的激光則負責測量電子運動。
一般情況下，材料受到光照后，電子會吸收光能，從低能態躍遷到高能態。如果光脈沖持續的時間極短——幾飛秒，1飛秒等于1/1,000,000,000,000,000秒，那么它會在材料中激發短暫的響應，被激發的電子隨后將迅速回到基態。
對于太陽能電池這樣的設備，我們需要在它處于高能態時“榨取”能量，因此，科學家們希望知道電池材料是如何改變能態并釋放能量的。
當然，在飛秒時間尺度上，直接觀察到電子的能態改變是不可能的。因此，科學家通過測量材料反射光的改變來達到間接觀測的目的——首先用大功率強激光脈沖照射材料，引發材料狀態改變，滯后一段時間后發射一個弱激光脈沖并對反射光進行測量。
第一道強激光的能量會迅速加熱材料，同時引反射的光子產生變化。而當材料開始冷卻后，反射開始向正常值靠攏。因此，科學家能夠根據反射光來推斷材料內部狀態的動態變化。
達尼教授表示，這種方法的問題在于，你并不能看到材料中到底發生了什么，而只是根據反射的數據的解讀，來解釋材料內部電子發生的變化。
為了解決這個問題，達尼教授的團隊開發了一種可視化半導體材料中電子狀態變化的方法。
當弱激光照射材料后，材料表面的一些電子會被彈出，科學家用電子顯微鏡收集這些電子并形成圖像。在弱激光的持續照射下，這些電子就會逐漸累積，并最終形成一張反應出材料內部電子分布的照片。
“你先用激光激發材料，等上一會，再用另一道激光檢測材料。這樣你可以反復重復實驗，每次都保持同樣的時間差。這樣你最終就能得到一幅在這個特定的時間差下，材料中大多數電子位置的照片。”達尼教授說道。
接下來，研究團隊改變了強（激發用）弱（檢測用）激光之間的時間差，得到了新的電子分布圖片。每當圖片完成后，他們就進一步增加時間差，最終獲得了一系列的圖片，這樣，就能建立起電子位置與激發后時間長短之間的關系。
不同時間差下的材料內部電子分布圖
最后，把各個時刻形成的照片做成視頻，就能夠直觀顯示電子在被激發后，從激發態到回到基態的全過程。
人類能夠直接觀察到電子狀態變化，而不是間接推測，這還是第一次。激光電子激發成像法為觀察半導體材料中的電子運動提供了新的工具。借此，科學家將更加深入地了解太陽能電池和其他半導體器件的工作機理，并有望制作出性能更高，功耗更低的電子產品。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
