真空隧道尽头的超快光： 元光学显示了阿秒范围内的物理过程
发布时间：2023-04-07 08:00:00 阅读数： 91
从左起：马丁-舒尔茨（格拉茨理工大学），玛丽娜-梅雷茨卡（哈佛大学），马库斯-奥西德（格拉茨理工大学），哈娜-汉普尔（格拉茨理工大学） 信用：Lunghammer /格拉茨理工大学。
由哈佛大学开发，并在格拉茨理工大学（TU Graz）成功测试，一种用于显微镜的具有极高空间和时间分辨率的革命性的新元透镜已在格拉茨理工大学实验物理研究所的实验室测试中证明其功能能力。
使用这种透镜的显微镜有望采用全新的研究和开发方法，特别是在半导体和太阳能电池技术方面。来自格拉茨和波士顿的研究小组目前在《科学》杂志上报告了这种新的元透镜的构造和成功的实验室实验情况。
该显微镜的透镜首次实现了对极紫外辐射的使用。其极短的波长使其能够跟踪阿托秒范围内的超快物理过程。例如，来自现代晶体管内部的实时图像或分子和原子与光的互动。马库斯-奥西恩德在哈佛大学费德里科-卡帕索小组的研究工作中提出了这种新型镜头的想法，自2023年1月起，这位ERC启动资金和FWF START奖得主一直在格拉茨理工大学的实验物理研究所进行研究。
波士顿和格拉茨的共同成功
阿托秒物理学使用极紫外光。由于这种光的振荡速度很快，而光学发展的结构套件中的所有材料对这种光都是不透明的，所以直到现在还没有可用的成像系统。马库斯-奥西德说："我问自己，光学的经典原理是否不能被颠覆。你能不能利用小范围内材料的缺失作为光学元件的基础？"
哈佛大学根据这一想法开发的、在格拉茨理工大学成功测试的透镜实现了这一设计原则。在极薄的硅箔中，经过精确计算的小孔排列可以传导和聚焦入射的阿秒光。研究小组的一个显著的观察结果是，这些真空隧道传输的光能比由于孔覆盖的表面而应该有的更多。这意味着创新的元光学技术实际上是将紫外光吸到了焦点上。
直径为几纳米的孔
这一突破需要极小且精确控制的结构。它们的生产接近于今天技术上可行的极限。经过两年左右的实验阶段，哈佛大学的Federico Capasso团队实现了技术实现，该团队是该领域的世界领导者。
功能证明是与格拉茨理工大学合作实现的，该校实验物理研究所的Martin Schultze小组致力于超短紫外线闪光的产生和应用。"这是波士顿和格拉茨之间合作的一个巨大成功。现在我们想很快用它来研究微电子学、纳米粒子和类似的东西，"Marcus Ossiander解释说。
元光学由一个大约200纳米厚的薄膜组成，其中的小孔结构已被蚀刻。整个透镜由数以亿计的孔组成；在膜上每一微米大约有十个这样的结构。一个单孔的直径在20至80纳米之间。作为比较：一根人的头发大约有60到100微米厚，一个小病毒的直径为15纳米。孔的直径不同，从膜的中心向外递减。根据孔的大小，那里的入射光辐射被延迟，从而塌陷成一个微小的焦点。
激光遇到气体云
为了测量这种新型透镜，格拉茨理工大学实验物理研究所的马丁-舒尔茨和哈娜-汉普尔在产生必要的极紫外辐射方面拥有独特的专业知识。"可靠地产生高能量的短光脉冲需要精确控制光控原子过程和非常精确的光学设置。马丁-舒尔茨说："为了这个项目，我们开发了一种光源，它在产生这些元光学器件所设计的波长的辐射方面特别有效。
在格拉茨的实验装置中，激光被聚焦到一个惰性气体射流中，极紫外辐射可以在非常短的脉冲中产生和集中。通过这种为阿秒物理学而优化的光源，元光学的有效性得到了证明。
下一步：带有元透镜的显微镜
现在的下一步是开发一种能与这种透镜配合使用的显微镜。阿秒显微镜这一新研究领域的可能应用是多方面的。特别是半导体和太阳能电池技术将受益于首次能够跟踪电荷载流子在空间和时间上的超快运动的可能性。
在现代晶体管和光电电路中，相关过程在几纳米的空间扩展和几阿托秒的时间范围内发生。新的元光电技术将使我们有可能观察到信息技术的这些核心部件在工作，并进一步优化它们。
更多信息
Marcus Ossiander et al, Extreme ultraviolet metalens by vacuum guiding, Science (2023). DOI: 10.1126/science.adg6881. www.science.org/doi/10.1126/science.adg6881
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