世界上最快的照相机：可实时拍摄电子运动

基尔大学物理中心的超快系统可以实时拍摄电子行为。

在光能转化为电能的过程中，由于材料内部电子的“特殊行为”，输入的光能有很大一部分会损失掉。光在射向材料时，会在电子将能量传回环境前的很短时间内对其进行能量激发。由于它们的持续时间通常只有若干飞秒，使得这些过程的研究几乎无人问津。在Michael Bauer教授和Kai Roßnagel教授的带领下，德国基尔大学实验和应用物理研究所的研究团队成功地研究了电子与环境能量交换的实时情况。实验中，他们用一种强烈的超短光脉冲照射了石墨，并拍摄下其对电子行为的影响。Bauer教授等的研究将对未来超高速光电元件的应用将产生重要影响。相关报道发表于最新一期的《物理评论快报》杂志。

材料的性质取决于其电子和原子的行为。费米气体是描述电子行为的基本模型，在这个模型中，材料中的电子被认为是一种气体系统。由此，就有可能对它们之间的相互作用进行描述了。为了实时跟踪电子的行为，基尔大学的研究人员进行了一个涉及极端时间分辨率的研究实验：材料样品受到超快脉冲光的照射时，电子会受到短时间的刺激。随后，延迟光脉冲从固体中释放出部分电子。通过详细分析，就可以得到第一次光刺激后材料的电子性能。为了达到这一目标，研究人员引入了一种特殊的照相机，记录了引入的光能是如何通过电子系统分布的。

Bauer教授等开发的系统的特别之处在于其13飞秒的超高时间分辨率。这使得它成为世界上最快的电子相机之一。基尔大学超快动力学教授Bauer 说：“由于光脉冲的持续时间非常短，我们得以实时拍摄这个超快过程。” Bauer教授与从事固态同步辐射研究的Kai Roßnagel教授团队合作开发了整个系统。实验中，研究人员用一个持续时间仅为7飞秒的强光脉冲照射石墨样品，发现光子扰乱了电子的热平衡，大约50飞秒后，平衡恢复。在此过程中，科学家们观察到了受激电子与光子、以及材料中的原子和其他电子的相互作用过程。通过拍摄的照片，他们甚至可以在这个超短的周期内分辨出作用的不同阶段：首先，被辐射的电子吸收了光子的光能，并将其转化为电能；然后能量被分配给其他电子；最后它们再传递给周围的原子。在最后阶段中，电能最终永久地转化为热能——石墨温度升高了。

Bauer教授等的实验首次证实了理论预测，这使人们对这个超短时间内发生的进程有了新的看法。鲍尔说：“利用我们的新技术，这些基本的复杂过程得以首次展现在大家面前了。”

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编译：德克斯特 

审稿：阿淼 

责编：张梦                                               

期刊来源：《物理评论快报》

期刊编号：0031-9007

原文链接：

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-12/ku-oot122018.php

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