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激光脉冲将光纤纳米尖端变成了多功能电子枪

发布时间: 2020-09-27 11:16:25   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

 

来自橡树岭国家实验室(ORNL)和内布拉斯加州-林肯大学的一个项目演示了通过光纤的激光脉冲如何刺激光纤尖端的电子发射。早期研究表明,当受到光刺激时,尖锐的纳米纤维尖端可以作为电子源,但直到现在,光必须来自外部光源,并需要瞄准纳米尖端的顶点。该项目的研究结果发表在《新物理学》杂志上,表明电子发射可以通过沿光纤本身传播的脉冲激光来实现。通过允许电子从以前困难的角度或位置传输,这将产生更有效的纳米级成像和传感应用。内布拉斯加大学林肯分校的Herman Batelaan说:“以前,激光必须追踪光纤尖端,这在技术上是一件非常困难的事情。”“这项任务的难度限制了拍摄图像的速度和位置。”这项突破的关键在于找到降低所需激光功率的电子发射机制,特别是通过精心设计纳米级光纤尖端。如果光纤终止在一个尺寸正确的锥形镀金纳米尖端,那么该团队的计算表明,通过光纤的激光脉冲的场强度将在尖端显示一个明显的热点,足以刺激电子喷射。

图3 光穿过光纤刺激纳米尖端的金属电子协助电子离开尖端

等离子体激元是检验这一理论的关键,内布拉斯加州的研究小组使用飞秒激光发射超短的激光脉冲通过光纤,其半径为50纳米的纳米尖端涂有一层在ORNL制造的金薄膜。使用500到740纳米的激光波长范围的测试证实了被控制的电子发射确实是由镀金的纳米尖端激发的。他们还表明,纳米尖端的电场被特定波长的激光增强了,这种行为被认为与表面等离子体有关。“通过调整飞秒激光到正确的波长,我们称之为表面等离子体共振波长,我们发现我们获得了高于阈值的发射,”内布拉斯加州的Sam Keramati说。表面等离子体共振表示金属表面电子的集体振荡。当电子从光子中吸收足够的能量,以初始动能射出时,就会发生阈值以上的发射。在证明了这一原理之后,该项目还发现,在功率较低的连续波激光器上也可能出现类似的结果,只要增加纳米尖端的电压来进行补偿。据研究小组称,这被认为是导致纳米尖端电子发射的最小激光强度。Batelaan说:“现在可以用一个10美元的二极管激光器来代替一个强大的、极其昂贵的激光器。”

ORNL最近的第二项突破证明了该实验室认为的非线性干涉测量法的第一次实际应用,即利用压缩光来测量原子力显微镜微悬臂的位移。压缩光是可以在非线性光学过程中产生的一种特殊状态,在量子计量中很有用,因为电场的固有噪声低于真空状态。该项目使用压缩光源而不是激光来测量原子力显微镜的微悬臂的位移,据ORNL称,该项目的灵敏度比使用经典光子学的可能性提高了50%。“我们展示了如何使用压缩光作为量子信息科学的重要工具作为显微镜的实用资源,”ORNL材料科学和技术部门的Ben Lawrie说。“我们测量了原子力显微镜微悬臂的位移,灵敏度比标准量子极限好。”

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