为纳米和量子材料开发的新分析方法

体育电视频道上的慢动作电影以百分之一秒的速度显示过程。相比之下，纳米尺度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电影中的这种超快纳米过程。基尔大学(CAU)的研究人员为此类薄膜开发了一种基于不同物理概念的新方法，从而为研究提供了更多和更精确的选择。

为此，他们将电子显微镜与产生非常短的光脉冲的纳米结构金属薄膜相结合。在第一个实验中，他们因此能够记录薄膜上半导体中光和电子的相干相互作用。他们的研究结果发表在Nature Physics上。

新方法更简单，更具成本效益

到目前为止，显示超快纳米过程的电影通常是使用高功率激光器与电子显微镜相结合的。但只有少数研究小组能够负担得起大型和复杂的设置。“我们的概念不需要昂贵而复杂的激光器，可以很容易地复制，”CAU实验物理学教授Nahid Talebi说。

电子显微镜将电子束成束，加速电子并将其引导到材料样品上。电子如何通过样品或被反射可以得出有关材料性质和内部过程的结论。

“电子显微镜具有比光学显微镜更好的空间分辨率，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捕获飞秒时间尺度的超快薄膜。

通过她的新出版物，塔勒比不仅证明了她的方法有效。她还与她的研究助理Masoud Taleb博士一起，为半导体中光子和电子的相干相互作用提供了实验证据，这在以前只在理论上进行了描述。用于此目的的量子材料二硒化钨WSe2起源于与基尔大学KiNSIS(基尔纳米，表面和界面科学)优先研究领域的Kai Rossnagel教授的合作。

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特殊的纳米结构，看起来像厨房筛子。它可以插入电子显微镜中，在那里它的功能类似于光源，称为“EDPHS”(电子驱动的光子源)。当电子束撞击这种金属结构时，空穴图案会产生有针对性的短光脉冲，可用于制作快速薄膜。

为了创造这种特殊的结构，研究人员在薄金箔上钻了25到200纳米的小孔。Talebi精确地计算了大小和距离，因为光脉冲只发生在特定的空穴图案上。“纳米筛”是与斯图加特大学Harald Giessen教授研究小组的Mario Hentschel博士密切合作生产的。

Talebi与阿姆斯特丹的同事一起，先前对电子显微镜进行了修改，以便它可以检测阴极发光。这些光信号是在快速电子撞击金属时产生的。

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。在这里，它们激发激子，即所谓的准粒子。

这些是已经从原子中分离出来的电子，并且仍然耦合到它们产生的空穴(“电子-空穴对”)。“如果不久之后较慢的电子束也击中半导体样品，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。

来自电子束和光脉冲叠加产生的阴极发光信号显示出电子和光子之间的相干相互作用。

为了能够在胶片中捕获这些过程，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，从而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组装成电影，”Talebi总结道。

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