電子是一種亞原子粒子，屬于輕子的一種。長(zhǎng)期以來(lái)，由于它的質(zhì)量小（9.1x10-31千克），速度快（繞原子核一周只需要1.8x10^-16秒），雖然用處廣泛，卻難以觀測(cè)。
2008年2月，來(lái)自瑞典的幾位科學(xué)家首次拍攝到了單個(gè)電子的錄像，實(shí)現(xiàn)了歷史性的突破。
然而，想要拍攝固體內(nèi)部的電子，因?yàn)殡娮訑?shù)量眾多、環(huán)境復(fù)雜，更是難上加難。長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家們沒(méi)有找到任何直接觀測(cè)的方法。
直到幾天前，來(lái)自沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)（Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University，OIST）的科學(xué)家們用他們的“飛秒照相機(jī)”成功地首次拍到了材料內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，再度實(shí)現(xiàn)了突破。
自從1897年湯姆森（Thompson）發(fā)現(xiàn)電子之后，科學(xué)家試圖用多種方式來(lái)描述這種亞原子粒子的運(yùn)動(dòng)。電子太小，運(yùn)動(dòng)太快，不要說(shuō)肉眼，甚至是光學(xué)顯微鏡都無(wú)法看到。所以，如何測(cè)量電子的運(yùn)動(dòng)，難倒了幾代科學(xué)家。
然而，沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)（Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University）的飛秒光譜實(shí)驗(yàn)室，讓人類向觀測(cè)電子運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)邁進(jìn)了一大步。該技術(shù)的相關(guān)文章于10月10日發(fā)表在了《Nature Nanotechnology》期刊上。
凱沙·達(dá)尼（Keshav Dani）教授是該實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人，他表示，觀察材料中的電子運(yùn)動(dòng)，而不僅僅是根據(jù)材料的光電相互作用來(lái)推測(cè)電子的運(yùn)動(dòng)，是自己一直以來(lái)的夢(mèng)想。
觀測(cè)電子運(yùn)動(dòng)，需要儀器具備極高的空間分辨率和時(shí)間分辨率，但是傳統(tǒng)儀器無(wú)法同時(shí)滿足這兩項(xiàng)要求。米切爾·曼（Michael Man）博士是實(shí)驗(yàn)室的博士后，他將紫外光脈沖技術(shù)和電子顯微技術(shù)結(jié)合，用以觀察太陽(yáng)能電池中的電子運(yùn)動(dòng)。
飛秒光譜技術(shù)對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的高時(shí)間分辨率成像原理示意圖。800納米波長(zhǎng)的激光（紅色）激發(fā)材料中的電子，266納米波長(zhǎng)（藍(lán)色）的激光則負(fù)責(zé)測(cè)量電子運(yùn)動(dòng)。
一般情況下，材料受到光照后，電子會(huì)吸收光能，從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)。如果光脈沖持續(xù)的時(shí)間極短——幾飛秒，1飛秒等于1/1,000,000,000,000,000秒，那么它會(huì)在材料中激發(fā)短暫的響應(yīng)，被激發(fā)的電子隨后將迅速回到基態(tài)。
對(duì)于太陽(yáng)能電池這樣的設(shè)備，我們需要在它處于高能態(tài)時(shí)“榨取”能量，因此，科學(xué)家們希望知道電池材料是如何改變能態(tài)并釋放能量的。
當(dāng)然，在飛秒時(shí)間尺度上，直接觀察到電子的能態(tài)改變是不可能的。因此，科學(xué)家通過(guò)測(cè)量材料反射光的改變來(lái)達(dá)到間接觀測(cè)的目的——首先用大功率強(qiáng)激光脈沖照射材料，引發(fā)材料狀態(tài)改變，滯后一段時(shí)間后發(fā)射一個(gè)弱激光脈沖并對(duì)反射光進(jìn)行測(cè)量。
第一道強(qiáng)激光的能量會(huì)迅速加熱材料，同時(shí)引反射的光子產(chǎn)生變化。而當(dāng)材料開(kāi)始冷卻后，反射開(kāi)始向正常值靠攏。因此，科學(xué)家能夠根據(jù)反射光來(lái)推斷材料內(nèi)部狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化。
達(dá)尼教授表示，這種方法的問(wèn)題在于，你并不能看到材料中到底發(fā)生了什么，而只是根據(jù)反射的數(shù)據(jù)的解讀，來(lái)解釋材料內(nèi)部電子發(fā)生的變化。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，達(dá)尼教授的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種可視化半導(dǎo)體材料中電子狀態(tài)變化的方法。
當(dāng)弱激光照射材料后，材料表面的一些電子會(huì)被彈出，科學(xué)家用電子顯微鏡收集這些電子并形成圖像。在弱激光的持續(xù)照射下，這些電子就會(huì)逐漸累積，并最終形成一張反應(yīng)出材料內(nèi)部電子分布的照片。
“你先用激光激發(fā)材料，等上一會(huì)，再用另一道激光檢測(cè)材料。這樣你可以反復(fù)重復(fù)實(shí)驗(yàn)，每次都保持同樣的時(shí)間差。這樣你最終就能得到一幅在這個(gè)特定的時(shí)間差下，材料中大多數(shù)電子位置的照片。”達(dá)尼教授說(shuō)道。
接下來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)改變了強(qiáng)（激發(fā)用）弱（檢測(cè)用）激光之間的時(shí)間差，得到了新的電子分布圖片。每當(dāng)圖片完成后，他們就進(jìn)一步增加時(shí)間差，最終獲得了一系列的圖片，這樣，就能建立起電子位置與激發(fā)后時(shí)間長(zhǎng)短之間的關(guān)系。
不同時(shí)間差下的材料內(nèi)部電子分布圖
最后，把各個(gè)時(shí)刻形成的照片做成視頻，就能夠直觀顯示電子在被激發(fā)后，從激發(fā)態(tài)到回到基態(tài)的全過(guò)程。
人類能夠直接觀察到電子狀態(tài)變化，而不是間接推測(cè)，這還是第一次。激光電子激發(fā)成像法為觀察半導(dǎo)體材料中的電子運(yùn)動(dòng)提供了新的工具。借此，科學(xué)家將更加深入地了解太陽(yáng)能電池和其他半導(dǎo)體器件的工作機(jī)理，并有望制作出性能更高，功耗更低的電子產(chǎn)品。
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