Only Perception: K-State 阿秒雷射研究建立在愛因斯坦的研究上

2009-05-25

K-State 阿秒雷射研究建立在愛因斯坦的研究上

K-State's fast laser research and theory building on Einsten's work by timing electrons emissions
http://www.physorg.com/news162131852.html

May 21st, 2009

在 Kansas 州立大學的超快雷射研究得以讓物理學家（將理論）建立在贏得諾貝爾獎的、不是別人而正是由愛因斯坦（Albert Einstein）所完成的光--電研究上。

愛因斯坦於 1921 年因他在 1905 年針對所謂的光（電）效應（photo-effect）提出的理論性解釋而榮獲諾貝爾獎 -- 即透過入射光，電子能從金屬表面發射。

在 Einstein 的時代，實驗室光源所提供的光線強度與今日雷射，例如 K-State 那些，相比強度非常低。回到那時，那些實驗有可能測量發光（light-emitted）電子的能量 -- 或速度 -- 但無法解決它們的即時運動。在現代實驗室中，雷射被當成光源使用，那提供非常短且強烈的閃光。

Uwe Thumm， K-Stat 的物理學教授，以及 Chang-hua Zhang，物理學博士後研究助理，是開發出一種模型的理論學家，那不僅允許他們計算光發射（photo-emitted）電子的能量，也能夠計算它們釋放後的時機，在那時候它們能被偵測到。在他們的量子力學模型中， Thumm 與 Zhang 發現，來自一金屬表面不同部份、因超短雷射脈衝而發射的電子，將在稍微不同的時間抵達一電子偵測器。

"那是一種沒有高強度雷射，如 K-State J. R. Macdonald 實驗室那些，將不可能辦到的功績，" Thumm 說。"在超短雷射脈衝的幫助下，電子的運動現在能即時追蹤。這開啟一種全新的研究領域，稱為阿秒（attosecond，1x10^-18 秒）物理學。"

一阿秒為十億又十億分之一秒。對人類而言這是難以想像的短暫時間 -- 但對電子而言則否，Thumm 說。

"50 阿秒大約是解開電子在物質中運動所需的時間解析度，" 他說。

與最近一項實驗相符，他們的計算證明，一金屬表面電子，那靠近原子核，其光發射相對於另一類電子，有一種約 110 阿秒的延遲。這些傳導電子（conduction electrons）並沒有附屬在個別原子上，並讓金屬能夠導電。

Thumm 與 Zhang 於三月將他們的研究發表在 Physical Review Letters 上。他們的研究由 NSF 與美國能源部所支持。

Thumm 表示，愛因斯坦的研究，那成為他們自己研究的基礎，通常被理解成「光表現如同粒子，稱為光子，而非波」的一種證明。愛因斯坦證明，只有在某種最小頻率上的光 -- 在可見光譜的藍色端 -- 才能讓金屬發射電子。

"那是一種眾所皆知的模型，而且它仍在教科書中被當作是光由光子所構成的一種解釋，" Thumm 說。"你能告訴許多物理系學生，他們搞錯了。"

雖然愛因斯坦的模型並沒有錯，不過那並非光之粒子特性的一項證明，Thumm 說。在現代量子理論發展前約 20 年，愛因斯坦發表了他的模型。即使光被視為一種古典的電磁波，現代物質的量子理論也預測了電子的發射。

今日，物理學家擁有雷射，所提供的光，強度如此之高，以致於電子能在較低頻率發射，朝向可見光譜的紅端。而且今日的科學家同時將光視為粒子與波。

"這裡有一點哲學性的爭論，" Thumm 說。

Thumm 表示，這項研究新穎且令人振奮的部份是，來自於超快雷射的短脈衝，允許物理學家測量電子從金屬發射的時間，也因此建立像他與 Zhang 所發展的那種模型。

研究者能使用短、強烈的超紫外線（extreme ultraviolet light）使鎢表面發射電子。他們能以一種延遲的紅外線脈衝使這些超紫外線脈衝同步，而電子在這之中發射。Thumm 表示這種紅外線脈衝隨著時間改變發射電子的能量，並充當一種判斷電子發射時機的量尺。

他表示那有點像 19 世紀的高速攝影如何證明馬兒在奔跑時四個蹄全部離地。

"在此例中，那並非馬蹄，而是我們看見的電子，" Thumm 說。"更大一幅圖像是：假若我們即時解決電子如何移動，我們就可以理解化學反應發生的時機。我們就可以了解基本的化學、生物學與生命。"

在 Thumm 與其他 K-State 物理學家繼續更進一步鑽研阿秒研究的同時，這所大學將於 7/28 - 8/1 主持 Second International Conference on Attosecond Physics（第二屆阿秒物理學國際研討會），帶領世界各地的物理學家前往 K-State 在 Manhattan 的校區。

更多有關 K-State 阿秒研究的資訊在 http://jrm.phys.ksu.edu/。

※ 相關報導：

＊ Attosecond Photoelectron Spectroscopy of Metal Surfaces
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.102.123601