光是一種電磁波，它可以攜帶能量和動(dòng)量，并與物質(zhì)發(fā)生相互作用。當(dāng)光照射到一個(gè)固體表面時(shí)，它可以把一些電子從固體里打出來(lái)，這就是光電效應(yīng)。這些電子被稱(chēng)為光電子，它們可以告訴我們很多關(guān)于固體的信息，比如它的結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、電子態(tài)和動(dòng)力學(xué)等。

但是，要想真正了解光電子是如何從固體中逃逸出來(lái)的，我們需要用非常短的光脈沖來(lái)激發(fā)它們，然后用另一個(gè)非常短的光脈沖來(lái)探測(cè)它們。這樣，我們就可以測(cè)量光電子的能量和時(shí)間，從而得到它們的動(dòng)力學(xué)信息。這就是時(shí)間分辨光電子譜學(xué)的基本原理。(www.ws46.cOm)

那么，什么樣的光脈沖才算非常短呢？答案是，阿秒級(jí)別的。阿秒是 10^-18 秒，這個(gè)時(shí)間非常非常短，以至于在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，光只能走 0.3 納米。用這樣短的光脈沖來(lái)激發(fā)和探測(cè)光電子，就可以達(dá)到阿秒級(jí)別的時(shí)間分辨率，這就是阿秒光電子譜學(xué)的魅力。

但是，要產(chǎn)生阿秒光脈沖并不容易。目前，最常用的方法是利用高次諧波發(fā)生，也就是用一個(gè)強(qiáng)的可見(jiàn)光或近紅外光脈沖來(lái)激發(fā)一個(gè)氣體原子，使其電子被拉出原子核的束縛，然后再被彈回去，從而發(fā)射出一個(gè)極紫外或軟 X 射線的光子。這個(gè)過(guò)程可以重復(fù)多次，從而產(chǎn)生一系列的極紫外或軟 X 射線光子，它們的能量是可見(jiàn)光或近紅外光的整數(shù)倍，這就是高次諧波。如果我們把這些高次諧波光子合成起來(lái)，就可以得到一個(gè)阿秒光脈沖，這就是高次諧波發(fā)生法。

但是，這種方法也有一些局限性。首先，高次諧波的效率非常低，也就是說(shuō)，只有很少一部分的可見(jiàn)光或近紅外光能轉(zhuǎn)化成極紫外或軟 X 射線。其次，高次諧波的頻譜非常寬，它包含了很多不同能量的光子，這會(huì)導(dǎo)致阿秒光脈沖的相干性降低。最后，高次諧波的重復(fù)率非常低，它只能跟隨可見(jiàn)光或近紅外光的重復(fù)率，而這通常只有幾千赫茲到幾兆赫茲，這對(duì)于時(shí)間分辨光電子譜學(xué)來(lái)說(shuō)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

那么，有沒(méi)有更好的方法呢？答案是，有的。最近，一些物理學(xué)家發(fā)明了一種新的方法，叫做極紫外阿秒脈沖對(duì)法，也就是用兩個(gè)極紫外阿秒脈沖來(lái)激發(fā)和探測(cè)光電子。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，極紫外阿秒脈沖的效率更高，頻譜更窄，重復(fù)率更高，而且可以直接用于光電子顯微鏡，從而實(shí)現(xiàn)空間分辨的阿秒光電子譜學(xué)。

那么，這種方法是如何實(shí)現(xiàn)的呢？答案是，利用了一種叫做光學(xué)參量放大的現(xiàn)象，也就是用一個(gè)強(qiáng)的泵浦光脈沖來(lái)激發(fā)一個(gè)非線性晶體，使其發(fā)射出一個(gè)與泵浦光脈沖相干的信號(hào)光脈沖和閘門(mén)光脈沖，它們的能量之和等于泵浦光脈沖的能量，這就是光學(xué)參量放大。如果我們把信號(hào)光脈沖和閘門(mén)光脈沖都聚焦到一個(gè)氣體原子上，就可以產(chǎn)生兩個(gè)極紫外阿秒脈沖，它們的能量之和等于信號(hào)光脈沖和閘門(mén)光脈沖的能量，這就是極紫外阿秒脈沖對(duì)法。

這種方法的關(guān)鍵是，信號(hào)光脈沖和閘門(mén)光脈沖的相對(duì)延遲可以精確地控制，從而可以調(diào)節(jié)兩個(gè)極紫外阿秒脈沖的相對(duì)延遲。這樣，我們就可以用其中一個(gè)極紫外阿秒脈沖來(lái)激發(fā)光電子，用另一個(gè)極紫外阿秒脈沖來(lái)探測(cè)光電子，從而實(shí)現(xiàn)阿秒光電子干涉。這種干涉會(huì)在光電子的能譜上產(chǎn)生一種叫做阿秒拍的現(xiàn)象，也就是能譜上的振蕩信號(hào)，它的頻率等于兩個(gè)極紫外阿秒脈沖的能量差，它的相位則取決于兩個(gè)極紫外阿秒脈沖的相對(duì)延遲。通過(guò)測(cè)量阿秒拍的頻率和相位，我們就可以得到光電子的動(dòng)力學(xué)信息。

這種方法的另一個(gè)關(guān)鍵是，極紫外阿秒脈沖的重復(fù)率可以達(dá)到幾百兆赫茲，這是因?yàn)樾盘?hào)光脈沖和閘門(mén)光脈沖的重復(fù)率可以達(dá)到幾百兆赫茲，而且它們可以用一個(gè)叫做鎖相環(huán)的裝置來(lái)同步，從而保證它們的相對(duì)延遲不變。這樣，我們就可以用一個(gè)叫做光電子顯微鏡的儀器來(lái)測(cè)量光電子的空間分布，從而實(shí)現(xiàn)空間分辨的阿秒光電子譜學(xué)。

這種方法的最后一個(gè)關(guān)鍵是，極紫外阿秒脈沖的能量可以選擇在 10 到 100 eV 之間，這樣就可以激發(fā)固體表面的價(jià)帶和最高原子軌道，從而探測(cè)固體表面的電子態(tài)和動(dòng)力學(xué)。這就是最近一篇論文的主要內(nèi)容。

論文的作者選擇了一種叫做ZnO的材料作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，它是一種具有六角晶系結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，它的價(jià)帶最高占據(jù)態(tài)是O 2p軌道，而導(dǎo)帶最低空穴態(tài)是Zn 4s軌道。這種材料有很多應(yīng)用，比如光電器件、催化劑、傳感器等。作者想要研究 ZnO 表面的光電子動(dòng)力學(xué)，也就是光電子是如何從價(jià)帶到導(dǎo)帶的躍遷，以及從導(dǎo)帶到真空的逃逸的。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，論文的作者們使用了極紫外阿秒脈沖對(duì)法，他們用一個(gè)泵浦光脈沖來(lái)激發(fā) ZnO 表面的光電子，用一個(gè)探測(cè)光脈沖來(lái)探測(cè) ZnO 表面的光電子，從而得到光電子的能譜和阿秒拍。他們分別調(diào)節(jié)了泵浦光脈沖和探測(cè)兄弟的能量和相對(duì)延遲，從而探索了不同的光電子動(dòng)力學(xué)過(guò)程。