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激光助力电子能带结构的全光新技术

    加拿大科学家日前公布了一项用于测量固体材料的电子能带结构的新技术。新方法不需要样品放置在真空室中,也可以探测大量的样品,而这是一些其它技术不能做到的。该小组认为,其新方法在极端研究条件下非常适用,包括在非常高压力下的金刚石砧。

    角分辨发射光谱学(ARPES)是一种基于激光用于研究固体材料的电子能带结构的重要方法。从样本上提出的材料的光子具有足够的能量以喷射电子,进而测量其所发射的电子的能量和动量。根绝它们内部的电子的能量和动量情况,这些信息揭示了其电子带的结构。

    表面科学

    角分辨发射光谱学(ARPES)已被物理学家广泛使用在材料研究中,包括半导体和超导体材料,但该技术有一些重要的局限性。测量必须在一个超高真空(UHV)下来完成,因为所发射的电子会被分散并被空气吸收。另外,ARPES只探测在材料表层的一层薄的样品,因为电子不能从在材料的更深处逸出。

    现在,Paul Corkum和他的同事,在位于渥太华大学的国家科学研究所和加拿大国家研究委员会,开发了新的全光技术用于研究固体能带结构,克服了这些问题。

    该技术包括把样品暴露在激光的激烈脉冲下,但光子能量比从材料中喷出的电子能量低得多。与这样一个脉冲相关联的有一个非常大的电场,这将导致一个电子通过量子隧道从价带的顶部到电子导带的底部,这样就在电子导带中产生了空穴。电子和空穴由电场驱动在相反方向上到达高动量。电场本身是振荡的,并且当场方向变换时,电子和空穴两者会经历反向和聚集。此时,电子和空穴重新结合,发出一个光子逃脱材料和用于检测。光子的能量等于在重组的点的价带和导带之间的能隙。

    为了测量电子在再次结合时的动量,Corkum和同事使用较暗的不同色的激光脉冲相同时间相同强度脉冲照射样品。通过测量所发射的光强作为在两个激光脉冲和发射光之间的相位函数,团队可以计算出重新结合所产生发射光子时电子的动量。

    化学过程

    电子空穴重新结合过程发生得非常快,而这种结合使用非常短的激光脉冲意味着该技术可用于研究在非常短的时间内发生变化的能带结构。

    Corkum说,该技术可以证明对于研究在金刚石砧较大压力下的材料是特别有用的,因为金刚石相对用于测量的激光脉冲来说是透明的。该方法可以用来观察在催化和其它化学过程中材料的能带结构是如何变化的,而这是不能在超真空下研究的。研究中,材料是在非常高的磁场下进行的,这也有可能会偏转ARPES的电子。

    这项技术已发表在Physical Review Letters上。


浏览次数:1613发布时间: 2015-11-26
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