人类首次飞秒拍摄到了材料内部的电子运动

编者按：电子是一种亚原子粒子，属于轻子的一种。长期以来，由于它的质量小（9.1x10-31千克），速度快（绕原子核一周只需要1.8x10-16秒），虽然用处广泛，却难以观测。

2008年2月，来自瑞典的几位科学家首次拍摄到了单个电子的录像，实现了历史性的突破。

科学家首次拍摄到单个电子的录像

然而，想要拍摄固体内部的电子，因为电子数量众多、环境复杂，更是难上加难。长期以来，科学家们没有找到任何直接观测的方法。

直到几天前，来自冲绳科学技术大学院大学（Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University，OIST）的科学家们用他们的“飞秒照相机”成功地首次拍到了材料内部电子的运动轨迹，再度实现了突破。

自从1897年汤姆森（Thompson）发现电子之后，科学家试图用多种方式来描述这种亚原子粒子的运动。电子太小，运动太快，不要说肉眼，甚至是光学显微镜都无法看到。所以，如何测量电子的运动，难倒了几代科学家。

然而，冲绳科学技术大学院大学（Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University）的飞秒光谱实验室，让人类向观测电子运动的目标迈进了一大步。该技术的相关文章于10月10日发表在了《Nature Nanotechnology》期刊上。

凯沙·达尼（Keshav Dani）教授是该实验室的负责人，他表示，观察材料中的电子运动，而不仅仅是根据材料的光电相互作用来推测电子的运动，是自己一直以来的梦想。

观测电子运动，需要仪器具备极高的空间分辨率和时间分辨率，但是传统仪器无法同时满足这两项要求。米切尔·曼（Michael Man）博士是实验室的博士后，他将紫外光脉冲技术和电子显微技术结合，用以观察太阳能电池中的电子运动。

飞秒光谱技术对电子运动的高时间分辨率成像原理示意图。800纳米波长的激光（红色）激发材料中的电子，266纳米波长（蓝色）的激光则负责测量电子运动。

一般情况下，材料受到光照后，电子会吸收光能，从低能态跃迁到高能态。如果光脉冲持续的时间极短——几飞秒，1飞秒等于1/1,000,000,000,000,000秒，那么它会在材料中激发短暂的响应，被激发的电子随后将迅速回到基态。

对于太阳能电池这样的设备，我们需要在它处于高能态时“榨取”能量，因此，科学家们希望知道电池材料是如何改变能态并释放能量的。

当然，在飞秒时间尺度上，直接观察到电子的能态改变是不可能的。因此，科学家通过测量材料反射光的改变来达到间接观测的目的——首先用大功率强激光脉冲照射材料，引发材料状态改变，滞后一段时间后发射一个弱激光脉冲并对反射光进行测量。

第一道强激光的能量会迅速加热材料，同时引反射的光子产生变化。而当材料开始冷却后，反射开始向正常值靠拢。因此，科学家能够根据反射光来推断材料内部状态的动态变化。

达尼教授表示，这种方法的问题在于，你并不能看到材料中到底发生了什么，而只是根据反射的数据的解读，来解释材料内部电子发生的变化。

为了解决这个问题，达尼教授的团队开发了一种可视化半导体材料中电子状态变化的方法。

当弱激光照射材料后，材料表面的一些电子会被弹出，科学家用电子显微镜收集这些电子并形成图像。在弱激光的持续照射下，这些电子就会逐渐累积，并最终形成一张反应出材料内部电子分布的照片。

“你先用激光激发材料，等上一会，再用另一道激光检测材料。这样你可以反复重复实验，每次都保持同样的时间差。这样你最终就能得到一幅在这个特定的时间差下，材料中大多数电子位置的照片。”达尼教授说道。

接下来，研究团队改变了强（激发用）弱（检测用）激光之间的时间差，得到了新的电子分布图片。每当图片完成后，他们就进一步增加时间差，最终获得了一系列的图片，这样，就能建立起电子位置与激发后时间长短之间的关系。

不同时间差下的材料内部电子分布图

最后，把各个时刻形成的照片做成视频，就能够直观显示电子在被激发后，从激发态到回到基态的全过程。

人类能够直接观察到电子状态变化，而不是间接推测，这还是第一次。激光电子激发成像法为观察半导体材料中的电子运动提供了新的工具。借此，科学家将更加深入地了解太阳能电池和其他半导体器件的工作机理，并有望制作出性能更高，功耗更低的电子产品。

参考：

http://www.nbcnews.com/id/23336318/ns/technology_and_science-science/t/electron-filmed-motion-first-time/

M. K. L. Man, et al, Imaging the motion of electrons across semiconductorheterojunctions, Nature Nanotechonolgy 2016.doi:10.1038/nnano.2016.183

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