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激光助力電子能帶結構的全光新技術

    加拿大科學家日前公布了一項用于測量固體材料的電子能帶結構的新技術。新方法不需要樣品放置在真空室中,也可以探測大量的樣品,而這是一些其它技術不能做到的。該小組認為,其新方法在極端研究條件下非常適用,包括在非常高壓力下的金剛石砧。

    角分辨發射光譜學(ARPES)是一種基于激光用于研究固體材料的電子能帶結構的重要方法。從樣本上提出的材料的光子具有足夠的能量以噴射電子,進而測量其所發射的電子的能量和動量。根絕它們內部的電子的能量和動量情況,這些信息揭示了其電子帶的結構。

    表面科學

    角分辨發射光譜學(ARPES)已被物理學家廣泛使用在材料研究中,包括半導體和超導體材料,但該技術有一些重要的局限性。測量必須在一個超高真空(UHV)下來完成,因為所發射的電子會被分散并被空氣吸收。另外,ARPES只探測在材料表層的一層薄的樣品,因為電子不能從在材料的更深處逸出。

    現在,Paul Corkum和他的同事,在位于渥太華大學的國家科學研究所和加拿大國家研究委員會,開發了新的全光技術用于研究固體能帶結構,克服了這些問題。

    該技術包括把樣品暴露在激光的激烈脈沖下,但光子能量比從材料中噴出的電子能量低得多。與這樣一個脈沖相關聯的有一個非常大的電場,這將導致一個電子通過量子隧道從價帶的頂部到電子導帶的底部,這樣就在電子導帶中產生了空穴。電子和空穴由電場驅動在相反方向上到達高動量。電場本身是振蕩的,并且當場方向變換時,電子和空穴兩者會經歷反向和聚集。此時,電子和空穴重新結合,發出一個光子逃脫材料和用于檢測。光子的能量等于在重組的點的價帶和導帶之間的能隙。

    為了測量電子在再次結合時的動量,Corkum和同事使用較暗的不同色的激光脈沖相同時間相同強度脈沖照射樣品。通過測量所發射的光強作為在兩個激光脈沖和發射光之間的相位函數,團隊可以計算出重新結合所產生發射光子時電子的動量。

    化學過程

    電子空穴重新結合過程發生得非???,而這種結合使用非常短的激光脈沖意味著該技術可用于研究在非常短的時間內發生變化的能帶結構。

    Corkum說,該技術可以證明對于研究在金剛石砧較大壓力下的材料是特別有用的,因為金剛石相對用于測量的激光脈沖來說是透明的。該方法可以用來觀察在催化和其它化學過程中材料的能帶結構是如何變化的,而這是不能在超真空下研究的。研究中,材料是在非常高的磁場下進行的,這也有可能會偏轉ARPES的電子。

    這項技術已發表在Physical Review Letters上。


瀏覽次數:3057發布時間: 2015-11-26
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