世界上最快的相机之——捕捉电子的运动

在将光转换成电能的过程中，例如在太阳能电池中，大部分输入光能量会丢失。这是由于材料内部的电子行为。如果光照射到材料上，它会在能量将能量传递回环境之前，在几分之一秒内激发电子。由于飞秒的持续时间非常短 – 飞秒是一千万亿分之一秒 – 这些过程迄今为止几乎没有被探索过。基尔大学（CAU）实验与应用物理研究所的一个团队，在Michael Bauer教授和KaiRonagel教授的指导下，现在已经成功地实时研究了电子与环境的能量交换，从而进行了区分。个别阶段。在他们的实验中，他们用强烈的超短光脉冲照射石墨，并拍摄出对电子行为的影响。对于超快光电子器件的应用，全面了解所涉及的基本过程非常重要。研究小组已在当前版本的期刊上发表了这些研究结果物理评论快报。

材料的性质取决于其组成电子和原子的行为。描述电子行为的基本模型是所谓的费米气体的概念，以诺贝尔奖获得者恩里科费米命名。在该模型中，材料中的电子被认为是气态系统。通过这种方式，可以描述它们彼此之间的相互作用。为了在实时描述的基础上跟踪电子的行为，基尔研究小组开发了一个极端时间分辨率的研究实验：如果材料样品用超快光脉冲照射，电子被刺激一小段时间。第二个延迟光脉冲从固体中释放出一些这些电子。对这些的详细分析可以得出关于在第一次用光刺激之后材料的电子特性的结论。一个特殊的相机拍摄引入的光能如何通过电子系统分布。

凭借其超快光线，基尔系统是世界上速度最快，功能最强大的系统之一。
基尔系统的特点是其极高的时间分辨率为13飞秒。这使它成为世界上最快的电子相机之一。“由于所使用的光脉冲持续时间极短，我们能够实时拍摄超快速过程。我们的研究表明，这里发生了大量令人惊讶的事情，”CAU超快动力学教授Michael Bauer解释道。他与同步辐射固态研究教授KaiRonagel的工作组一起开发了该系统。

在他们目前的实验中，研究小组用一个持续时间仅为7飞秒的短而强烈的光脉冲照射石墨样品。石墨的特征在于简单的电子结构。因此，可以特别清楚地观察到基本过程。在实验中，撞击的光粒子 – 也称为光子 – 扰乱了电子的热平衡。该平衡描述了一种条件，其中电子中存在精确可定义的温度。然后，基尔研究小组拍摄了电子的行为，直到大约50飞秒后平衡恢复。

在这样做时，科学家观察到激发电子与撞击光子以及材料中的原子和其他电子的许多相互作用过程。在电影胶片的基础上，它们甚至可以区分这个超短时期内的不同阶段：首先，被照射的电子吸收了石墨中光子的光能，从而将其转化为电能。然后，在将能量传递到周围原子之前，能量被分配到其他电子。在该工艺中，电能源最终永久转换成热量; 石墨升温了。

基尔研究小组的实验也首次证实了理论预测。它们为研究课题提供了新的视角，这在很短的时间内几乎没有被研究过。“通过我们新的技术可能性，这些基本的，复杂的过程可以直接第一次被观察到，”鲍尔说。这种方法也可以在将来应用于调查和优化的光搅拌超快运动的电子在材料有希望的光学特性。