量子世界的高速攝影機:超快雷射

分享至

提到飛秒雷射,許多人會聯想到眼科手術,因為其精確性與安全性,讓無數人重獲清晰視力,然而,飛秒雷射只是「超快雷射」的一部分,背後還有更多的科學應用。超快雷射涵蓋從奈秒(10-9秒)到阿秒(10-18秒)的時間尺度,讓科學家能夠捕捉電子在原子間的運動,就像高速攝影機捕捉運動賽場上的瞬間動態,這項技術使科學家能夠「看見」電子在量子世界中的運動,以至於能揭開更多的物理機制。超快雷射正「超快地」改變我們對世界的認識,一起來認識什麼是超快雷射吧!

撰文|黃鼎鈞

提到飛秒雷射,你第一個會想到什麼?許多人可能會聯想到眼科手術,這種醫療技術為無數人帶來了清晰的視力,然而,你是否曾好奇其背後的原理?飛秒 (femtosecond) 是一種時間單位,等於10-15秒,即一秒的千萬億分之一。由於飛秒雷射脈衝時間極短,手術過程中,細胞組織不會吸收過多熱量,從而避免了熱損傷。不僅如此,飛秒雷射還能精確聚焦於手術部位,避免傷及周圍組織,正是這樣的安全性和精確性,使得飛秒雷射手術在眼科治療中得到了廣泛應用。然而,今天我們的話題並非眼科手術,而是探討「超快雷射」在材料科學上的應用。

圖1:以雷射探究材料示意圖|來源:DALL-E AI model

 

科學家利用超快雷射「看見」量子世界

除了飛秒雷射,超快雷射還包括皮秒 (picosecond) 雷射,其時間單位為10-12秒,即一秒的萬億分之一,更短暫的還有阿秒 (attosecond) 雷射,等於10-18秒,是飛秒的千分之一。在這些極短的時間尺度中,科學家能以極高的精度觀察微觀世界中物質的行為。就像高速攝影機能捕捉子彈穿過蘋果的瞬間一樣,超快雷射能讓我們「看見」電子在原子和分子中的運動,因為電子的運動正是發生在飛秒到阿秒的尺度之間。

在使用超快雷射觀測電子運動時,系統會首先發射一個超短雷射脈衝,激發樣品中的電子,將其從基態提升到激發態,隨後,第二個脈衝雷射在一個極短的「延遲時間」後到達,用於拍攝電子的狀態,通過調整不同的延遲時間,科學家可以捕捉到一系列電子運動的連續快照,進而獲取電子隨時間演化的資訊,包括電子的能量與動量。這項技術被稱為時間解析光電子能譜 (Time-Resolved Photoelectron Spectroscopy, TRPES),它使我們能更深入地理解物理現象背後的電子傳輸機制。

圖2:電子強度隨時間衰減,以此圖來說,可以觀察電子在奈秒維度底下的變化狀況|來源:Wikimedia Commons

 

超快雷射揭曉超導體材料背後的物理機制

科學家一直致力於解開超導體形成的奧祕,2007年,德國柏林自由大學的研究團隊利用TRPES技術,探討了超導體Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊δ (Bi-2212) 中的電子動力學。他們發現,當電子被光激發形成熱電子後,僅在不到50飛秒內便達到了平衡狀態。那麼,什麼是熱電子 (Hot electron) 呢?熱電子是指電子在受到外界能量(如光、電場或雷射)激發後,獲得了額外的能量,使其能量高於系統中其他電子的平均能量,從而脫離原本的熱平衡狀態,形成高能量的非平衡狀態,因此,這裡的「熱電子」並不是實際溫度的上升,而是描述電子處於高能量狀態。回到超導體的研究,該研究發現,平衡後的熱電子會在兩個不同的時間尺度上消散其熱量,分別是在110飛秒和2皮秒時,這些過程是由非平衡的聲子 (Phonon) 引起的。聲子是量子物理中的一個概念,用來描述晶體內原子振動所攜帶的能量,當晶體中原本排列整齊的原子受到擾動時,會推動附近原子的震動,形成類似波動的現象。這項研究指出,超導體的形成與晶格的擾動密切相關,為尋找「室溫超導體」提供了重要的指引,至於為何尋找室溫超導體如此重要,你可以參閱《當LK-99再次出現,你可以怎麼判讀?來認識超導體伴隨的獨特物性》。

就像高速攝影機對於運動賽事能捕捉瞬間的動態張力,超快雷射則是量子世界的高速攝影機,能捕捉電子運動的瞬間變化,使我們得以觀察到宏觀物理現象背後的微觀機制,並找到各種現象的成因,從而將這些獨特的物理現象應用於現有科技中。從醫療應用到量子探索,超快雷射不僅使近視眼得以恢復視力,還引領我們進入量子世界,超快雷射正「飛速地」革新我們的生活,並改變著我們看待世界的方式。

 


參考文獻

  1. Keller, U. (2003). Recent developments in compact ultrafast lasers. nature424(6950), 831-838.
  2. Perfetti, L., Loukakos, P. A., Lisowski, M., Bovensiepen, U., Eisaki, H., & Wolf, M. (2007). Ultrafast Electron Relaxation in Superconducting BiSrCaCuO8+ δby Time-Resolved Photoelectron Spectroscopy. Physical review letters99(19), 197001.

 


✨延伸閱讀:《當LK-99再次出現,你可以怎麼判讀?來認識超導體伴隨的獨特物性》、《隨機雷射:在無序之中自我增強的光子》、《用雷射光在奈米材料上畫圖

(Visited 209 times, 1 visits today)

分享至
views