为纳米和量子材料开发的新分析方法

体育电视频道的慢动作电影以百分之一秒显示过程。相比之下，纳米级的过程发生在所谓的飞秒范围内：例如，电子只需要十亿分之一秒就可以绕氢原子运行。

世界各地的物理学家正在使用特殊仪器来捕捉薄膜中的这种超快纳米过程。基尔大学(CAU)的研究人员基于不同的物理概念为此类胶片开发了一种新方法，因此可以进行更深入、更精确的研究。

为此，他们将电子显微镜与可产生极短光脉冲的纳米结构金属薄膜相结合。因此，在第一个实验中，他们能够记录薄膜半导体中光和电子的相干相互作用。他们的结果发表在《自然物理学》上。

新方法更简单，更具成本效益

到目前为止，展示超快纳米过程的电影通常是使用高功率激光结合电子显微镜制作的。但只有少数研究小组能够负担得起庞大而复杂的设置。“我们的概念不需要昂贵和复杂的激光器，而且可以很容易地复制，”CAU实验物理学教授NahidTalebi说。

电子显微镜将电子束束成一束，对其进行加速并将其对准材料样品。电子如何穿过样品或被反射可以得出关于材料特性和内部过程的结论。

“电子显微镜的空间分辨率比光学显微镜好得多，并且首先可以在纳米范围内进行研究，”Talebi说。她开发的特殊组件使得提高电子显微镜的时间分辨率并将其转换为超快版本变得相对容易。通过这种纳米级过程，现在也可以在没有激光的情况下以飞秒时间尺度的超快薄膜捕获。

通过她的新出版物，Talebi不仅证明了她的方法是有效的。她与她的研究助理MasoudTaleb博士一起，还提供了半导体中光子和电子相干相互作用的实验证据，这在以前只是在理论上进行了描述。用于此目的的量子材料二硒化钨WSe2源自与KaiRossnagel教授在基尔大学优先研究领域KiNSIS(基尔纳米、表面和界面科学)内的合作。

图片来源：基尔大学

纳米结构金属产生短光脉冲

Talebi概念的核心组成部分是一种看起来类似于厨房筛子的特殊纳米结构。它可以插入电子显微镜，在那里它像光源一样发挥作用，称为“EDPHS”(电子驱动光子源)。当电子束撞击这种金属结构时，孔图案会产生有针对性的短光脉冲，可用于制作快速薄膜。

为了创造这种特殊结构，研究人员在薄金箔上钻了25到200纳米的小孔。Talebi精确地计算出了大小和距离，因为光脉冲只在特定的孔图案中出现。“纳米筛”是与斯图加特大学HaraldGiessen教授研究小组的MarioHentschel博士密切合作生产的。

与来自阿姆斯特丹的同事一起，Talebi之前修改了电子显微镜，使其能够检测阴极发光。当快速电子撞击金属时会产生这些光信号。

电影中记录的电子和光子之间的相互作用

在当前出版物中描述的实验中，来自筛状纳米结构的短光脉冲以光速撞击半导体样品。它们在这里激发激子，即所谓的准粒子。

这些电子已从原子中分离出来，但仍与它们产生的空穴耦合(“电子-空穴对”)。“如果在短时间内较慢的电子束也撞击半导体样品，我们可以从电子的反应中看到激子在此期间的行为，”Talebi解释说。

电子束和光脉冲叠加产生的阴极发光信号显示电子和光子之间的相干相互作用。

为了能够在胶片中捕捉这些过程，研究人员还将压电晶体集成到显微镜装置中。这使他们能够精确地改变光源和样品之间的空间距离，并由此改变入射光脉冲和电子之间的时间距离。“通过这种方式，可以在过程的不同阶段拍摄图像并将其组合成一部电影，”Talebi总结道。