真空隧道末端的超快光超光學(xué)顯示阿秒范圍內(nèi)的物理過(guò)程

由哈佛大學(xué)開(kāi)發(fā)并在格拉茨科技大學(xué)(TUGraz)成功測(cè)試的革命性新型超光學(xué)顯微鏡具有極高的空間和時(shí)間分辨率，已在TUGraz實(shí)驗(yàn)物理研究所的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中證明了其功能能力。

使用這種鏡頭的顯微鏡有望帶來(lái)全新的研發(fā)方法，尤其是在半導(dǎo)體和太陽(yáng)能電池技術(shù)方面。來(lái)自格拉茨和波士頓的研究團(tuán)隊(duì)目前在《科學(xué)》雜志上報(bào)道了這種新元光學(xué)的構(gòu)建和成功的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。

顯微鏡的鏡頭首次使使用極紫外輻射成為可能。其極短的波長(zhǎng)使其能夠跟蹤阿秒范圍內(nèi)的超快物理過(guò)程。例如，來(lái)自現(xiàn)代晶體管內(nèi)部的實(shí)時(shí)圖像或分子和原子與光的相互作用。MarcusOssiander在哈佛大學(xué)FedericoCapasso小組的研究工作中提出了新型鏡頭的想法，自2023年1月以來(lái)，ERC啟動(dòng)補(bǔ)助金和FWFSTART獎(jiǎng)獲得者一直在TUGraz的實(shí)驗(yàn)物理研究所進(jìn)行研究.

波士頓和格拉茨的共同成功

阿秒物理學(xué)使用極紫外光。由于這種光振蕩很快，并且光學(xué)開(kāi)發(fā)構(gòu)建套件中的所有材料都對(duì)這種光不透明，因此直到現(xiàn)在還沒(méi)有可用的成像系統(tǒng)。MarcusOssiander評(píng)論說(shuō)：“我問(wèn)自己，光學(xué)的經(jīng)典原理是否不能逆轉(zhuǎn)。你能否利用小區(qū)域材料的缺失作為光學(xué)元件的基礎(chǔ)?”

哈佛大學(xué)基于這一想法開(kāi)發(fā)并在TUGraz成功測(cè)試的鏡頭實(shí)現(xiàn)了這一設(shè)計(jì)原則。極薄的硅箔中經(jīng)過(guò)精確計(jì)算的微小孔排列可傳導(dǎo)并聚焦入射的阿秒光??。研究團(tuán)隊(duì)的一個(gè)顯著觀察是，這些真空隧道傳輸?shù)墓饽芏嘤诳赘采w表面應(yīng)有的光能。這意味著創(chuàng)新的元光學(xué)實(shí)際上將紫外線(xiàn)吸收到焦點(diǎn)中。

直徑幾納米的孔

這一突破需要極小且精確控制的結(jié)構(gòu)。它們的產(chǎn)量接近當(dāng)今技術(shù)上可行的極限。技術(shù)實(shí)施由哈佛大學(xué)的FedericoCapasso團(tuán)隊(duì)完成，該團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位，經(jīng)過(guò)大約兩年的實(shí)驗(yàn)階段。

功能證明是與TUGraz合作實(shí)現(xiàn)的，實(shí)驗(yàn)物理研究所的MartinSchultze小組致力于超短紫外線(xiàn)閃光的產(chǎn)生和應(yīng)用。“這是波士頓和格拉茨之間合作的巨大成功?，F(xiàn)在我們想用它來(lái)研究微電子學(xué)、納米粒子和類(lèi)似的東西，”MarcusOssiander解釋道。

元光學(xué)器件由大約200納米的薄膜組成，薄膜上刻有微小的孔結(jié)構(gòu)。整個(gè)鏡頭由數(shù)以?xún)|計(jì)的孔組成;膜上每微米大約有十個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)。單個(gè)孔的直徑在20到80納米之間。作為比較：人的頭發(fā)大約有60到100微米厚，小病毒的直徑為15納米?？椎闹睆綇哪さ闹行南蛲庾兓蜏p小。根據(jù)孔的大小，那里的入射光輻射會(huì)延遲，從而坍縮成一個(gè)微小的焦點(diǎn)。

激光遇到氣體云

為了測(cè)量新型透鏡，格拉茨工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理研究所的MartinSchultze和HanaHampel在產(chǎn)生必要的極紫外輻射方面擁有獨(dú)特的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。“可靠地產(chǎn)生具有高能量的短光脈沖需要精確控制光控原子過(guò)程和非常精確的光學(xué)設(shè)置。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我們開(kāi)發(fā)了一種光源，它在產(chǎn)生這些元波長(zhǎng)的輻射方面特別有效。-光學(xué)設(shè)計(jì)，”MartinSchultze說(shuō)。

在格拉茨的實(shí)驗(yàn)裝置中，激光被聚焦到惰性氣體射流中，可以產(chǎn)生極紫外輻射并集中在非常短的脈沖中。通過(guò)這種針對(duì)阿秒物理學(xué)優(yōu)化的光源，證明了超光學(xué)的有效性。

下一步：具有元光學(xué)的顯微鏡

下一步是開(kāi)發(fā)適用于該鏡頭的顯微鏡。阿秒顯微鏡這一新研究領(lǐng)域的可能應(yīng)用是多方面的。尤其是半導(dǎo)體和太陽(yáng)能電池技術(shù)將受益于能夠首次跟蹤電荷載流子在空間和時(shí)間上的超快運(yùn)動(dòng)的可能性。

在現(xiàn)代晶體管和光電電路中，相關(guān)過(guò)程發(fā)生在幾納米的空間擴(kuò)展和幾阿秒的時(shí)間范圍內(nèi)。新的超光學(xué)技術(shù)將使觀察信息技術(shù)的這些核心組件工作并進(jìn)一步優(yōu)化它們成為可能。

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