新的激光技术可捕获量子材料的动态过程

加拿大不列颠哥伦比亚大学（UBC）开发的一种新型极紫外（UV）激光源可实现时间分辨光发射光谱学，该技术可在超快时标下可视化电子散射过程。光发射光谱可以逐帧记录电子如何与固体中的某些原子振动相互作用，捕获可能导致某些材料产生电阻以及宏观量子现象（如另一些超导现象）的过程。振动和电子之间的散射事件称为声子，可以使电子改变方向和能量。这种电子-声子相互作用是物质的许多奇异相的基础。

极紫外光的超快脉冲在白色等离子气体射流中产生，在磷光屏上以蓝点的形式可见，从氧荧光发出的黄光也可见。

“电子相互之间的相互作用方式以及它们的微观环境决定了所有固体的性质，”研究人员孟兴星说。 “一旦确定了定义材料特性的主要微观相互作用，我们就可以找到“调高”或“降低”相互作用以激发有用的电子特性的方法。”研究人员使用超短激光脉冲激发单个电子远离其通常的平衡环境。他们实际上使用了第二个激光脉冲作为照相机快门，以比十亿分之一秒更快的速度捕获了电子如何与周围原子一起散射。“由于我们装置的灵敏度非常高，我们能够首次直接测量被激发的电子如何与特定的原子振动或声子相互作用，” Na说。

研究人员在石墨（一种碳的晶体形式）上进行了实验。利用时间和角度分辨光发射光谱，他们激发了石墨中的电子并监测了它们的衰变，并伴随着声子的释放。这些衰减过程的时间常数提供了有关实验系统中发生的电子-声子耦合的直接信息。研究人员说，有助于电阻的散射过程可能会限制碳基电子在纳米电子学中的应用。

电子和原子之间相互作用的控制对于包括超导体量子材料的应用可能很重要，超导体用于MRI机器和高速磁悬浮列车，并且有一天可以用于能量传输。“通过运用这些开创性技术，我们现在已经准备好揭示高温超导难以捉摸的奥秘以及量子物质许多其他令人着迷的现象，”安德里亚•达马塞利教授说。对于他们的研究，Na及其团队利用了由Damascelli和David Jones教授构想，并由UBC的Stewart Blusson量子物质研究所的研究员Arthur Mills开发的激光设备。