科學家首次捕捉到電子在奈米尺度下的同步舞動

來自SLAC國家加速器實驗室和漢堡大學的物理學家，成功觀察到電子在超快光脈衝激發下，圍繞著僅0.7奈米大小的巴克球（C₆₀富勒烯分子）同步舞動的現象。

研究團隊由Shubhadeep Biswas博士領導，他們發現這些電子在同步舞動後，會以多個電子的形式釋放多餘能量。這種被稱為「等離子體共振」的現象，能夠在極短的時間內將光限制在極小的空間中。

這種捕捉光的能力已被廣泛應用於多個領域，例如將光轉化為化學能、提升光敏感裝置的效率，甚至將太陽能轉化為電能。儘管等離子體共振在從幾公分到10奈米的系統中已被廣泛研究，但這是科學家首次突破「奈米障礙」，觀察到在次奈米尺度下的共振現象。

早期研究顯示，當等離子體共振在極小尺度下發生時，會出現新的現象，使光能夠以前所未有的精確度被限制和控制。這一特性使得理解共振在微小尺度下的表現成為研究人員非常感興趣的主題。

Biswas博士解釋道：「為了更好地理解等離子體共振，我們激發粒子周圍的電子，然後等待它們透過釋放電子來釋放多餘能量。透過測量這一過程的時間間隔，我們可以判斷是否發生了真正的共振——即所有電子同步運動——或者僅僅是少數電子受到影響。」

然而，這些共振發生在極快的時間尺度上——僅為阿秒（百億分之一秒的十億分之一）。現有技術無法實時觀察這些共振現象。

研究團隊利用阿秒級極紫外光脈衝，觸發並記錄了足球形狀的巴克球分子內電子的行為。他們精確測量了從光激發電子到電子釋放多餘能量並返回常態軌道的整個過程。每個週期持續50至300阿秒，測量結果顯示電子表現出強烈的相干性，就像紀律嚴明的舞者同步表演一樣。

Biswas博士表示：「這些發現首次證明，阿秒測量可以提供次奈米尺度下等離子體共振的寶貴見解。」這一突破使研究人員能夠評估一系列超小粒子，揭示出可能提升現有技術效率並帶來新應用的等離子體特性。

SLAC國家加速器實驗室和史丹佛大學的物理學家Matthias Kling教授指出：「透過這項測量，我們正在解鎖電子相干性與光限制在次奈米尺度下相互作用的新見解。這項工作展示了阿秒技術的威力，並為未來超快電子學中操縱電子開闢了新途徑，其運作頻率可能比現有技術高出百萬倍。」

漢堡大學的Francesca Calegari教授補充道：「這項尖端研究為開發超緊湊、高效能的平臺開闢了新途徑，在這些平臺上，光與物質的相互作用可以透過利用奈米尺度下出現的量子效應來控制。」

這項研究成果已發表在《科學進展》期刊上。

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Shubhadeep Biswas et al. 2025. Correlation-driven attosecond photoemission delay in the plasmonic excitation of C₆₀ fullerene. Science Advances 11 (7); doi: 10.1126/sciadv.ads0494