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(zhì)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(xué)家首次拍攝到了單個電子的錄像，實現(xiàn)了歷史性的突破。
然而，想要拍攝固體內(nèi)部的電子，因為電子數(shù)量眾多、環(huán)境復(fù)雜，更是難上加難。長期以來，科學(xué)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(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)（Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University，OIST）的科學(xué)家們用他們的“飛秒照相機”成功地首次拍到了材料內(nèi)部電子的運動軌跡，再度實現(xiàn)了突破。
自從1897年湯姆森（Thompson）發(fā)現(xiàn)電子之后，科學(xué)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(xué)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(xué)家。
然而，沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)（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(biāo)邁進了一大步。該技術(shù)的相關(guān)文章于10月10日發(fā)表在了《Nature Nanotechnology》期刊上。
凱沙·達尼（Keshav Dani）教授是該實驗室的負(fù)責(zé)人，他表示，觀察材料中的電子運動，而不僅僅是根據(jù)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(tǒng)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(shù)和電子顯微技術(shù)結(jié)合，用以觀察太陽能電池中的電子運動。
飛秒光譜技術(shù)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(fā)材料中的電子，266納米波長（藍色）的激光則負(fù)責(zé)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(tài)躍遷到高能態(tài)。如果光脈沖持續(xù)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(fā)短暫的響應(yīng)，被激發(fā)的電子隨后將迅速回到基態(tài)。
對于太陽能電池這樣的設(shè)備，我們需要在它處于高能態(tài)時“榨取”能量，因此，科學(xué)家們希望知道電池材料是如何改變能態(tài)并釋放能量的。
當(dāng)然，在飛秒時間尺度上，直接觀察到電子的能態(tài)改變是不可能的。因此，科學(xué)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(fā)材料狀態(tài)改變，滯后一段時間后發(fā)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(chǎn)生變化。而當(dāng)材料開始冷卻后，反射開始向正常值靠攏。因此，科學(xué)家能夠根據(jù)反射光來推斷材料內(nèi)部狀態(tài)的動態(tài)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(fā)生了什么，而只是根據(jù)反射的數(shù)據(jù)的解讀，來解釋材料內(nèi)部電子發(fā)生的變化。
為了解決這個問題，達尼教授的團隊開發(fā)了一種可視化半導(dǎo)體材料中電子狀態(tài)變化的方法。
當(dāng)弱激光照射材料后，材料表面的一些電子會被彈出，科學(xué)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(xù)照射下，這些電子就會逐漸累積，并最終形成一張反應(yīng)出材料內(nèi)部電子分布的照片。
“你先用激光激發(fā)材料，等上一會，再用另一道激光檢測材料。這樣你可以反復(fù)重復(fù)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(shù)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(fā)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(dāng)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(fā)后時間長短之間的關(guān)系。
不同時間差下的材料內(nèi)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(fā)后，從激發(fā)態(tài)到回到基態(tài)的全過程。
人類能夠直接觀察到電子狀態(tài)變化，而不是間接推測，這還是第一次。激光電子激發(fā)成像法為觀察半導(dǎo)體材料中的電子運動提供了新的工具。借此，科學(xué)家將更加深入地了解太陽能電池和其他半導(dǎo)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(chǎn)品。
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