最新《Nature》：追踪纳米金属尖端的阿秒电子发射

长三角G60激光联盟陈长军导读

科学家利用激光场来精确测量和控制金属的电子发射，通过叠加两个不同强度和频率的激光场，可以精确地测量和控制金属的电子发射到几阿秒。来自德国埃尔兰根大学FAU、罗斯托克大学和康斯坦茨大学的物理学家已经证明了这一点。这一发现可能会带来新的量子力学见解，并使电子电路的速度比现在快一百万倍。研究人员已经在《Nature》上以“Tracing attosecond electron emission from a nanometric metal tip”为题发表了他们的研究结果。

研究人员展示了后向散射电子的双色调制光谱揭示了纳米结构的亚光周期强场发射动力学，具有阿秒精度。在研究人员的实验中，测量了从尖锐的金属尖端发射的电子的光电子能谱作为两种颜色之间相对相位的函数。将时间相关Schrödinger方程的解投影到轨迹上，将光谱中的相位相关特征与发射动力学联系起来，并通过将量子模型与实验相匹配，得到710 30阿秒的发射持续时间。研究人员的研究结果为固态和其他系统的强场光发射的定量定时和精确主动控制打开了大门，并对超快电子源、量子简并研究和亚泊松电子束、纳米等离子体学和佩赫兹电子学等多个领域产生了直接影响。

图1:实验示意图。

光能够从金属表面释放电子。这一观察结果早在19世纪上半叶就由亚历山大·埃德蒙·贝克勒尔提出，后来又被海因里希·赫兹和威廉·哈尔瓦克斯等人在各种实验中证实。由于光电效应与光波理论不能调和，阿尔伯特·爱因斯坦得出结论:光不仅由波组成，而且由粒子组成。他奠定了量子力学的基础。

图2:光电子能谱。

强激光电子隧穿

随着激光技术的发展，对光电效应的研究获得了新的动力。研究人员可以产生各种光谱颜色的超强超短激光脉冲，FAU激光物理系主席Peter Hommelhoff教授称。这激发了研究人员以更高的精度捕获和控制金属电子释放的持续时间和强度。

图3:重建轨迹和发射动力学。

到目前为止，科学家们只能精确地确定气体中激光诱导的电子动力学——精度为几阿秒。量子动力学和发射时间窗口还没有在固体上测量过。

这正是FAU、罗斯托克大学和康斯坦茨大学的研究人员第一次成功地做到的。为此，他们采用了一种特殊的策略:他们不仅使用强大的激光脉冲(将电子发射到尖尖的钨尖上)，还使用了第二种频率为两倍的较弱激光。

图4:实验设置和尖端表征。

原则上，在非常强的激光下，单个光子不再负责释放电子，而是负责激光的电场，然后电子穿过金属界面进入真空。通过有意地叠加两个光波，物理学家可以控制激光场的形状和强度，从而也可以控制电子的发射。

比电路要快一百万倍

图5：随时间变化的波函数和连续共振。

在实验中，研究人员能够将电子流的持续时间确定为30阿秒，即十亿分之一秒的300亿分之一。这种对发射时间窗的超精确限制可以在同等程度上推进基础研究和应用相关研究。

图：6连续共振的去除和瞬时发射率的提取。

两个激光脉冲的相移使研究人员能够更深入地了解隧道过程和随后电子在激光场中的运动，这使得对固态体的发射和光场的新的量子力学见解成为可能。最重要的应用领域是光场驱动电子学:通过提出的双色方法，激光以这样一种方式调制，从而产生精确定义的电子脉冲序列，从而产生电信号。

研究人员表示在可预见的未来，将有可能把测试装置的组件——光源、金属尖端、电子探测器——集成到一个微芯片上。届时，带宽达到千赫兹范围的复杂电路将成为可能——这将比目前的电子设备快近一百万倍。

相关论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05839-6