科学家利用激光场精确测量和控制金属的电子发射

通过叠加两个不同强度和频率的激光场，金属的电子发射可以被精确地测量和控制到几阿托秒。来自弗里德里希-亚历山大-纽伦堡大学（FAU）、罗斯托克大学和康斯坦茨大学的物理学家已经证明了这一点。这些发现可能会带来新的量子力学见解，并使电子电路的速度比现在快一百万倍。研究人员现已在《自然》杂志上发表了他们的发现。

光能够从金属表面释放出电子。这一观察在19世纪上半叶已经由亚历山大-埃德蒙-贝克勒尔提出，后来在各种实验中得到证实，其中包括海因里希-赫兹和威廉-霍尔瓦克斯。由于光电效应无法与光波理论相协调，阿尔伯特-爱因斯坦得出结论：光不仅由波组成，而且由粒子组成。他为量子力学奠定了基础。

强烈的激光使电子形成隧道
随着激光技术的发展，对光电效应的研究获得了新的推动力。"今天，我们可以在各种光谱颜色中产生极强和超短的激光脉冲，"FAU物理系激光物理学主席Peter Hommelhoff教授博士解释说。"这启发我们更准确地捕捉和控制金属电子释放的时间和强度"。

到目前为止，科学家们只能够在气体中精确地确定激光诱导的电子动力学--精确度为几 attosecond。量子动力学和发射时间窗还没有在固体上进行测量。

这正是联邦大学、罗斯托克大学和康斯坦茨大学的研究人员现在首次成功做到的。他们为此使用了一种特殊的策略： 他们没有只用一个强的激光脉冲来发射电子，而是用了一个频率为两倍的第二个较弱的激光。

"原则上，你必须知道，在非常强的激光下，单个光子不再负责电子的释放，而是激光的电场，"彼得-霍默霍夫主席的研究助理和该研究的主要作者菲利普-丁斯特比尔博士解释说。"然后电子通过金属界面隧道进入真空"。通过故意叠加两种光波，物理学家可以控制激光场的形状和强度，从而也控制电子的发射。

电路速度提高一百万倍
在实验中，研究人员能够将电子流的持续时间确定为30阿托秒--十亿分之一秒的30亿分之一。这种对发射时间窗口的超精确限制可以同等程度地推进基础和应用相关的研究。

"两个激光脉冲的相移使我们能够更深入地了解隧道过程和电子在激光场中的后续运动，"菲利普-丁斯特比尔说。"这使得我们能够对固态体的发射和所使用的光场都有新的量子力学见解"。

最重要的应用领域是光场驱动的电子产品： 利用所提出的双色方法，激光可以被调制，从而可以产生一个精确定义的电子脉冲序列，从而产生电信号。

Dienstbier说："在可预见的未来，将有可能把我们测试装置的组件--光源、金属尖端、电子检测器--整合到一个微芯片中。" 届时，带宽达到帕赫兹范围的复杂电路是可以想象的--这将比目前的电子技术快近一百万倍。

参考资料：Tunneling electrons, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05839-6