利用激光观察晶体中的电子

下图所示为氟化钙晶体中的电子。可见光显微镜使科学家能够看到微小的物体，比如活细胞。然而，他们无法分辨电子是如何在固体中的原子间分布的。现在，罗斯托克大学极端光子学实验室的Eleftherios Goulielmakis教授和德国马克斯普朗克量子光学研究所的研究人员，以及北京的中国科学院物理研究所的同事们，开发了一种新型的光学显微镜，称为皮微镜，就克服了这个限制。

 

研究人员使用强大的激光闪光照射晶体材料薄膜。这些激光脉冲驱动晶体电子快速摆动。当电子从周围的电子反弹时，它们在光谱的极紫外部分发射辐射。通过分析这种辐射的性质，研究人员用几十皮米（十亿分之一毫米）的分辨率绘制了一些图片，说明电子云是如何分布在固体晶格中的原子之间的。这些实验为新型激光显微镜铺平了道路，使物理学家、化学家和材料科学家能够以前所未有的分辨率窥视微观世界的细节，理解并最终控制材料的化学和电子性质。

几十年来，科学家们一直在用闪光的激光来了解微观世界的内部工作原理。这种激光闪光现在可以跟踪固体内部的超快微观过程。但是，它们不能在空间上解析电子，也就是说，不能观察电子如何占据晶体中原子之间的微小空间的，或者它们如何形成将原子结合在一起的化学键。恩斯特·阿贝（Ernst Abbe）一个多世纪前就发现了这个原因。可见光只能分辨出大小与波长相当的物体，波长大约几百纳米。但要想看到电子，显微镜必须将放大倍数提高几千倍。

为了克服这一局限性，Goulielmakis和同事们走了一条不同的道路。“他们开发了一种能利用强大激光脉冲工作的显微镜。他们把他们的设备称为光皮微镜。利用一个强大的激光脉冲，可以迫使晶体材料中的电子成为周围空间的摄影师，”该组织的研究人员Harshit Lakhotia说。

当激光脉冲穿透晶体内部时，它能抓住一个电子并驱动它快速摆动。“当电子运动时，它会感觉到周围的空间，就像你的车感觉到崎岖不平的路面一样。当激光驱动的电子穿过其他电子或原子形成的碰撞时，它会减速并以远高于激光频率的频率发射辐射。通过记录和分析这种辐射的性质，我们可以推断出这些微小突起的形状，我们可以画出显示晶体中电子密度高低的图片，”极限光子学实验室的博士研究人员Hee-Yong Kim说，“激光光电显微镜结合了窥视大块物质（如X射线）和探测价电子的能力。后者可以通过扫描隧道显微镜实现，但仅限于表面。”

来自北京物理研究所的Sheng Meng是研究小组中的一位理论固体物理学家，他说：“有了能够探测价电子密度的显微镜，我们可能很快就能对计算固态物理工具的性能进行基准测试。我们可以优化现代的、最先进的模型，以更精细的细节来预测材料的性能。这是激光皮微镜带来的一个令人兴奋的方面。”

现在，研究人员正在进一步开发这项技术。他们计划在三维空间探测电子，并进一步用广泛的材料（包括二维和拓扑材料）对该方法进行基准测试。“由于激光光镜技术可以很容易地与时间分辨激光技术相结合，很快就可以记录材料中电子的真实电影。这是超快科学和物质微观领域长期寻求的目标。”

原文来源：https://phys.org/news/2020-07-laser-pictures-electrons-crystals.html