加拿大科學(xué)家日前公布了一項(xiàng)用于測(cè)量固體材料的電子能帶結(jié)構(gòu)的新技術(shù)。新方法不需要樣品放置在真空室中，也可以探測(cè)大量的樣品，而這是一些其它技術(shù)不能做到的。該小組認(rèn)為，其新方法在極端研究條件下非常適用，包括在非常高壓力下的金剛石砧。
角分辨發(fā)射光譜學(xué)(ARPES)是一種基于激光用于研究固體材料的電子能帶結(jié)構(gòu)的重要方法。從樣本上提出的材料的光子具有足夠的能量以噴射電子，進(jìn)而測(cè)量其所發(fā)射的電子的能量和動(dòng)量。根絕它們內(nèi)部的電子的能量和動(dòng)量情況，這些信息揭示了其電子帶的結(jié)構(gòu)。
表面科學(xué)
角分辨發(fā)射光譜學(xué)(ARPES)已被物理學(xué)家廣泛使用在材料研究中，包括半導(dǎo)體和超導(dǎo)體材料，但該技術(shù)有一些重要的局限性。測(cè)量必須在一個(gè)超高真空(UHV)下來完成，因?yàn)樗l(fā)射的電子會(huì)被分散并被空氣吸收。另外，ARPES只探測(cè)在材料表層的一層薄的樣品，因?yàn)殡娮硬荒軓脑诓牧系母钐幰莩觥?/div>
現(xiàn)在，Paul Corkum和他的同事，在位于渥太華大學(xué)的國(guó)家科學(xué)研究所和加拿大國(guó)家研究委員會(huì)，開發(fā)了新的全光技術(shù)用于研究固體能帶結(jié)構(gòu)，克服了這些問題。
該技術(shù)包括把樣品暴露在激光的激烈脈沖下，但光子能量比從材料中噴出的電子能量低得多。與這樣一個(gè)脈沖相關(guān)聯(lián)的有一個(gè)非常大的電場(chǎng)，這將導(dǎo)致一個(gè)電子通過量子隧道從價(jià)帶的頂部到電子導(dǎo)帶的底部，這樣就在電子導(dǎo)帶中產(chǎn)生了空穴。電子和空穴由電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)在相反方向上到達(dá)高動(dòng)量。電場(chǎng)本身是振蕩的，并且當(dāng)場(chǎng)方向變換時(shí)，電子和空穴兩者會(huì)經(jīng)歷反向和聚集。此時(shí)，電子和空穴重新結(jié)合，發(fā)出一個(gè)光子逃脫材料和用于檢測(cè)。光子的能量等于在重組的點(diǎn)的價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能隙。
為了測(cè)量電子在再次結(jié)合時(shí)的動(dòng)量，Corkum和同事使用較暗的不同色的激光脈沖相同時(shí)間相同強(qiáng)度脈沖照射樣品。通過測(cè)量所發(fā)射的光強(qiáng)作為在兩個(gè)激光脈沖和發(fā)射光之間的相位函數(shù)，團(tuán)隊(duì)可以計(jì)算出重新結(jié)合所產(chǎn)生發(fā)射光子時(shí)電子的動(dòng)量。
化學(xué)過程
電子空穴重新結(jié)合過程發(fā)生得非常快，而這種結(jié)合使用非常短的激光脈沖意味著該技術(shù)可用于研究在非常短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化的能帶結(jié)構(gòu)。
Corkum說，該技術(shù)可以證明對(duì)于研究在金剛石砧較大壓力下的材料是特別有用的，因?yàn)榻饎偸鄬?duì)用于測(cè)量的激光脈沖來說是透明的。該方法可以用來觀察在催化和其它化學(xué)過程中材料的能帶結(jié)構(gòu)是如何變化的，而這是不能在超真空下研究的。研究中，材料是在非常高的磁場(chǎng)下進(jìn)行的，這也有可能會(huì)偏轉(zhuǎn)ARPES的電子。
這項(xiàng)技術(shù)已發(fā)表在Physical Review Letters上。
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