真空隧道末端的超快光超光學顯示阿秒范圍內(nèi)的物理過程

由哈佛大學開發(fā)并在格拉茨科技大學(TUGraz)成功測試的革命性新型超光學顯微鏡具有極高的空間和時間分辨率，已在TUGraz實驗物理研究所的實驗室測試中證明了其功能能力。

使用這種鏡頭的顯微鏡有望帶來全新的研發(fā)方法，尤其是在半導體和太陽能電池技術方面。來自格拉茨和波士頓的研究團隊目前在《科學》雜志上報道了這種新元光學的構(gòu)建和成功的實驗室實驗。

顯微鏡的鏡頭首次使使用極紫外輻射成為可能。其極短的波長使其能夠跟蹤阿秒范圍內(nèi)的超快物理過程。例如，來自現(xiàn)代晶體管內(nèi)部的實時圖像或分子和原子與光的相互作用。MarcusOssiander在哈佛大學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，ERC啟動補助金和FWFSTART獎獲得者一直在TUGraz的實驗物理研究所進行研究.

波士頓和格拉茨的共同成功

阿秒物理學使用極紫外光。由于這種光振蕩很快，并且光學開發(fā)構(gòu)建套件中的所有材料都對這種光不透明，因此直到現(xiàn)在還沒有可用的成像系統(tǒng)。MarcusOssiander評論說：“我問自己，光學的經(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元件的基礎?”

哈佛大學基于這一想法開發(fā)并在TUGraz成功測試的鏡頭實現(xiàn)了這一設計原則。極薄的硅箔中經(jīng)過精確計算的微小孔排列可傳導并聚焦入射的阿秒光??。研究團隊的一個顯著觀察是，這些真空隧道傳輸?shù)墓饽芏嘤诳赘采w表面應有的光能。這意味著創(chuàng)新的元光學實際上將紫外線吸收到焦點中。

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)量接近當今技術上可行的極限。技術實施由哈佛大學的FedericoCapasso團隊完成，該團隊在該領域處于世界領先地位，經(jīng)過大約兩年的實驗階段。

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

元光學器件由大約200納米的薄膜組成，薄膜上刻有微小的孔結(jié)構(gòu)。整個鏡頭由數(shù)以億計的孔組成;膜上每微米大約有十個這樣的結(jié)構(gòu)。單個孔的直徑在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延遲，從而坍縮成一個微小的焦點。

激光遇到氣體云

為了測量新型透鏡，格拉茨工業(yè)大學實驗物理研究所的MartinSchultze和HanaHampel在產(chǎn)生必要的極紫外輻射方面擁有獨特的專業(yè)知識。“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程和非常精確的光學設置。對于這個項目，我們開發(fā)了一種光源，它在產(chǎn)生這些元波長的輻射方面特別有效。-光學設計，”MartinSchultze說。

在格拉茨的實驗裝置中，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。通過這種針對阿秒物理學優(yōu)化的光源，證明了超光學的有效性。

下一步：具有元光學的顯微鏡

下一步是開發(fā)適用于該鏡頭的顯微鏡。阿秒顯微鏡這一新研究領域的可能應用是多方面的。尤其是半導體和太陽能電池技術將受益于能夠首次跟蹤電荷載流子在空間和時間上的超快運動的可能性。

在現(xiàn)代晶體管和光電電路中，相關過程發(fā)生在幾納米的空間擴展和幾阿秒的時間范圍內(nèi)。新的超光學技術將使觀察信息技術的這些核心組件工作并進一步優(yōu)化它們成為可能。

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