【原】新方法|日本大学研究出用光脉冲激发方式“观测”材料中电子运动的新方法

日本冲绳科学技术大学院大学的Dani教授团队研究出紫外线脉冲和电子显微镜相结合的方法，能够呈现出半导体器件中的电子运动。

研究背景

自1987年发现电子以来，科学家一直在尝试观测原子内部的粒子行为，但电子太小了，用光学显微镜也很难观测。

旧思路

用光照射材料，则材料内的电子能够吸收光能，然后从较低能级跃迁至较高能级。如果照射的光脉冲非常非常短，仅有几飞秒，则会在材料内引起非常快速的变化。

实际上在如此短的时间内是看不到电子状态变化的，但可以测量材料反射率的变化。为研究材料曝光后的变化，研究人员对材料进行时间很短但强度很高的光脉冲照射，在第一束脉冲之后，采用多个微弱脉冲探测材料变化。第一束光子能够快速加热材料，进而影响后续光子的反射率。随着材料温度下降，反射率回到原始水平。

存在的问题是，不能直接观察到导致材料变化的电子的动态，无法看见真正发生了什么，只是测量到了反射率的变化，然后试图基于数据解释这一现象。

新方法

当脉冲照射到材料时会有一些电子逸出，然后通过电子显微镜对电子逸出的位置进行成像。固定第一束光子脉冲与探测光子的时间延时，经过多次探测后，就能够逐渐建立出材料中特定时间延时后的电子分布图像。

重复以上成像过程，改变延时时间，则能够形成一系列类似图像。将这些图像拼接起来即可形成视频。视频将展现出材料受激发后，电子受到激发，并最终回归原始状态的过程。

该团队已制作了一个太阳能电池中电子运动的视频。

研究意义

该项研究提供了一种新的洞察电子运动的方法，可能会改变太阳能电池和半导体器件的构建方式，有助于研究出更好、更高效的电子器件。