该研究的第一作者、激光物理学家德米特里·齐明(Dmitry Zimin)在阿秒实验的激光装置前。图片来源:Fazio Guiseppe

激光脉冲击中固体中的电子。如果它从光波中接收到足够的能量，它就可以在固体中自由移动。这种现象被称为光注入，自量子力学开始以来科学家们一直在探索。关于相关进程如何及时展开，仍有悬而未决的问题。

LMU的attoworld团队和马克斯普朗克量子光学研究所的激光物理学家们现在已经直接观察了在强激光脉冲光注入后的最初几飞秒(十亿分之一秒的百万分之一)内硅和二氧化硅的光学特性是如何演变的。

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当谈到阿尔伯特·爱因斯坦解释的光电效应时，光注入的物理原理相对简单。在这里，一个电子吸收了一个光子，这个光子有足够的能量将电子从限制其运动的电势中解放出来。当光波中没有光子有足够的能量这样做时，情况就变得更复杂了。在这种情况下，束缚电子可以通过一次吸收多个光子或通过量子隧穿而变得自由。这些是非线性过程，只有当电场很强时才有效，这意味着只有激光脉冲的中心部分才能有效地驱动它们。

新型扫描技术

利用阿秒科学的工具，可以在光脉冲的半个周期内产生大多数载流子，从而在几飞秒内将固体的导电性提高几个数量级。LMU的attoworld团队和马克斯普朗克量子光学研究所的激光物理学家研究了超快光注入后固体改变其光学特性的速度。为了做到这一点，他们发送了两个短周期脉冲通过一个薄样品:一个产生载流子的强泵脉冲和一个与载流子相互作用的弱测试脉冲。

由于光注入被限制在短于测试场半个周期的时间间隔内，因此可以观察到载流子在出现后的第一个飞秒内如何与测试场相互作用。这些信息被编码在光注入在测试脉冲的随时间变化的电场上的扭曲中。科学家们使用一种新型的光场采样技术测量了这些扭曲，并在两个脉冲之间的许多延迟中重复了他们的测量。

这项创新的光场分辨泵浦探针测量技术现在使attoworld团队可以直接获得光注入期间和之后的光驱动电流。“最重要的结果是，我们现在知道如何进行和分析这样的实验，我们确实看到了光驱动的电子运动，这是以前没有人能做到的，”发表在《自然》杂志上的这项研究的最后一位作者弗拉迪斯拉夫·雅科夫列夫说。

“我们很惊讶没有看到准粒子形成的明显迹象，”Yakovlev进一步解释道。“这意味着，在这些特定的测量中，多体物理测量对光注入后介质的电导率如何建立没有太大的影响，但我们可能会在未来看到一些更奇特的物理。”

所有现代电子产品都是基于通过快速增加和减少载流子在电路中的移动能力来控制载流子的流动。attoworld团队的研究是用光达到这种控制的最终速度极限。这项新发现最终可能有助于实现未来在千赫兹范围内的信号处理，使所谓的光波电子学成为可能。这将使今天的电子产品的速度提高大约10万倍。

“我认为，我们只是触及了泵探场分辨测量的表面。有了我们的经验和见解，其他研究人员现在可以用我们的方法来回答他们的问题，”Yakovlev说。

更多信息:Dmitry A. Zimin等，1-fs尺度光注入后固体的动态光学响应，Nature(2023)。DOI: 10.1038 / s41586 - 023 - 05986 - w

期刊信息:Nature

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