激光物理学家直接观察到光射入后的第一个飞秒数

激光物理学家Dmitry Zimin，该研究的第一作者，在一个用于阿秒实验的激光装置前。资料来源：Fazio Guiseppe

一个激光脉冲击中了固体中的一个电子。如果它从光波中获得足够的能量，它就可以在固体中自由移动。自量子力学诞生以来，科学家们一直在探索这一现象，它被称为光射。关于相关过程是如何在时间上展开的，仍有一些开放性问题。

LMU和马克斯-普朗克量子光学研究所的attoworld团队的激光物理学家现在已经直接观察到了硅和二氧化硅的光学特性在用强激光脉冲进行光射后的最初几个飞秒（百万分之一秒）内是如何演变的。

当涉及到爱因斯坦所解释的光电效应时，这种光射的物理学是相对简单的。在这里，一个电子吸收了一个光子，这个光子有足够的能量将电子从限制其运动的电位中解放出来。当光波中没有光子具有足够的能量时，情况就会变得更加复杂。在这种情况下，被束缚的电子可以通过同时吸收一个以上的光子或通过量子隧道而变得自由。这些都是非线性过程，只有在电场很强时才有效，这意味着只有激光脉冲的中心部分可以有效地驱动它们。

扫描的新技术
利用阿托秒科学的工具，有可能在光脉冲的一个半周期内产生大多数电荷载流子，在短短的几个飞秒内将固体的导电性提高几个数量级。LMU和马克斯-普朗克量子光学研究所attoworld团队的激光物理学家们研究了固体在超快光射入后其光学特性的变化速度。为此，他们向一个薄薄的样品发送了两个几周期的脉冲：一个产生电荷载流子的强烈泵浦脉冲和一个与它们相互作用的弱测试脉冲。

因为光射流被限制在比测试场的半个周期更短的时间间隔内，所以有可能观察到电荷载流子在出现后的第一个飞秒内如何与测试场相互作用。这一信息被编码在光射入测试脉冲的随时间变化的电场上的扭曲中。科学家们使用一种新颖的光场采样技术来测量这些失真，并且他们对两个脉冲之间的许多延迟进行了重复测量。

用于光场分辨的泵浦探针测量的创新技术现在使attoworld团队能够直接接触到光射入期间和之后的光驱动电流。"最重要的结果是，我们现在知道如何进行和分析这样的实验，而且我们确实看到了光驱动的电子运动，这是以前没有人能够做到的，"发表在《自然》杂志上的这项研究的最后一位作者Vladislav Yakovlev说。

"我们惊讶地看到没有明显的准粒子形成的迹象，"Yakovlev进一步解释说。"这意味着，在这些特定的测量中，多体物理测量对光射后介质的导电性如何建立没有太大影响，但我们在未来可能会看到一些更狂热的物理学。"

所有的现代电子产品都是基于控制电荷载体的流动，通过快速增加和减少它们在电路中的移动能力。attoworld团队的研究是关于利用光达到这种控制的最终速度极限。这项新发现最终可以帮助实现未来在千万赫兹范围内的信号处理，使所谓的光波电子成为可能。这将使今天的电子产品的速度提高约10万倍。

"我想说的是，我们只是触及了泵探针场分辨测量的表面。亚科夫列夫说："有了我们的经验和洞察力，其他研究人员现在可以用我们的方法来回答他们的问题。

参考资料：Dmitry A. Zimin et al, Dynamic optical response of solids following 1-fs-scale photoinjection, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05986-w