體育電視頻道上的一部慢動(dòng)作電影以百分之一秒的時(shí)間顯示過(guò)程。相比之下，納米級(jí)的過(guò)程發(fā)生在飛秒范圍內(nèi)：例如，一個(gè)電子只需要十億分之一秒就可以繞氫原子運(yùn)行一圈。世界各地的物理學(xué)家正在使用特殊的儀器來(lái)捕捉薄膜中的超快納米過(guò)程。
近日，來(lái)自英國(guó)的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一種基于不同物理概念的此類(lèi)電影的新方法，從而允許進(jìn)一步和更精確的調(diào)查選擇。他們將電子顯微鏡與產(chǎn)生極短光脈沖的納米結(jié)構(gòu)金屬薄膜相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的。在第一次實(shí)驗(yàn)中，他們因此能夠記錄薄膜上半導(dǎo)體中光和電子的相干相互作用，顯示超快納米工藝的電影通常使用高功率激光和電子顯微鏡制作。但很明顯，只有少數(shù)幾個(gè)研究小組能夠負(fù)擔(dān)得起大型復(fù)雜的設(shè)備。
“我們的概念不需要昂貴和復(fù)雜的激光器，而且很容易復(fù)制。電子顯微鏡將電子束成束，加速并引導(dǎo)到材料樣品上。電子是如何通過(guò)樣品或被反射的，這就可以得出材料的財(cái)產(chǎn)和內(nèi)部過(guò)程的結(jié)論。電子顯微鏡具有比光學(xué)顯微鏡更好的空間分辨率，并使納米范圍的研究成為可能。”她開(kāi)發(fā)的特殊組件使得提高電子顯微鏡的時(shí)間分辨率并將其轉(zhuǎn)換為超快版本變得相對(duì)容易。
通過(guò)這種納米級(jí)技術(shù)，在沒(méi)有激光的情況下，也可以在飛秒時(shí)間尺度的超快薄膜中捕獲過(guò)程，英國(guó)另一所大學(xué)開(kāi)發(fā)了“納米篩”，以提供所需的短光脈沖。這個(gè)概念的一個(gè)關(guān)鍵組成部分是一種特殊的“納米篩”，可用于電子顯微鏡，功能類(lèi)似于光源。當(dāng)電子束照射到這一點(diǎn)時(shí)，空穴圖案會(huì)產(chǎn)生有針對(duì)性的短光脈沖，可用于制作快速薄膜。為了制造這種特殊的篩子，研究人員在一層薄薄的金箔上鉆了25至200納米的小孔。
這個(gè)項(xiàng)目獲得了歐盟歐洲研究委員會(huì)150萬(wàn)歐元的ERC啟動(dòng)贈(zèng)款，第四物理研究所憑借其在納米技術(shù)領(lǐng)域的卓越基礎(chǔ)設(shè)施，是超快納米光學(xué)和等離子體學(xué)領(lǐng)域的世界領(lǐng)先研究小組之一，并與MPI進(jìn)行了多年的成功合作。薄膜中記錄的電子和光子之間的相互作用在當(dāng)前出版物中描述的實(shí)驗(yàn)中，來(lái)自篩狀納米結(jié)構(gòu)的短光脈沖以光速撞擊半導(dǎo)體樣品。在這里，它們激發(fā)激子，即所謂的準(zhǔn)粒子。
“如果很短時(shí)間后，較慢的電子束也撞擊到半導(dǎo)體樣品，我們可以從電子的反應(yīng)中看出激子在這段時(shí)間內(nèi)的行為。”電子束和光脈沖疊加產(chǎn)生的陰極發(fā)光信號(hào)顯示出電子和光子之間的相干相互作用。為了能夠在薄膜中捕捉這些過(guò)程，研究人員還將壓電晶體集成到顯微鏡裝置中。這允許它們精確地改變光源和樣品之間的空間距離，并由此改變?nèi)肷涔饷}沖和電子之間的時(shí)間距離。通過(guò)這種方式，可以在過(guò)程的不同階段拍攝圖像，并將其組裝成電影。
