科學家突破極限！即時捕捉電子超快運動的關鍵技術

科學家們在量子成像技術上取得了重大突破，成功簡化了用於觀察電子超快互動的二維電子光譜（2DES）技術。這項技術的改進，讓研究人員能夠更精確地控制雷射脈衝，從而開啟了研究材料能量轉移的新可能性。

一直以來，分子和固體中電子的超快運動與互動難以直接觀察。近年來，科學家們開發了多種方法來研究這些量子過程，例如化學反應、太陽能轉換以及量子計算操作，並以極高的精確度進行即時分析。其中，二維電子光譜（2DES）是最先進的技術之一，能夠以僅僅幾飛秒（千萬億分之一秒）的解析度追蹤電子動態。然而，2DES技術極為複雜，全球僅有少數研究團隊能夠使用。

如今，由德國奧爾登堡大學的Christoph Lienau教授領導的德義研究團隊，找到了一種大幅簡化實驗設定的方法。Lienau教授表示：「我們希望2DES能從專家的專屬技術，轉變為廣泛應用的工具。」在這項突破中，Lienau教授的超快奈米光學研究團隊的兩位博士生Daniel Timmer和Daniel Lünemann扮演了關鍵角色。他們的研究成果已發表在知名期刊《Optica》上。

2DES技術利用三個超短雷射脈衝來激發材料並追蹤其反應。前兩個脈衝相同，用於啟動電子激發過程，例如將電子提升到半導體或染料中的更高能階，從而改變材料的光學特性。第三個脈衝稱為探測脈衝，它與激發系統互動，並根據系統狀態的變化提供關鍵資訊。

透過調整三個脈衝之間的時間間隔，研究人員可以獲取系統的不同資訊。當兩個激發脈衝與探測脈衝之間的間隔改變時，整個過程可以在不同階段被記錄下來，就像觀看一部電影一樣。此外，兩個激發脈衝之間的間隔也可以調整，這使得研究人員能夠選擇性地激發材料中的某些光學躍遷，這對於研究複雜過程如光合作用中的能量轉移至關重要。

Lienau教授強調：「2DES技術的實驗實施非常具有挑戰性，主要問題在於精確控制前兩個雷射脈衝之間的時間間隔及其形狀。」在他們的最新研究中，Lienau教授及其團隊提出了一個潛在的解決方案。Timmer和Lünemann的創新方法基於義大利米蘭理工大學的Giulio Cerullo教授幾年前提出的TWINS技術，該技術使用雙折射晶體來生成兩個相同的雷射脈衝副本。

然而，Cerullo教授的方法雖然比生成脈衝的其他解決方案更容易實施，但存在一定的侷限性。Lienau教授指出：「這種方法迄今未能實現多維電子光譜儀的全部功能。」但Timmer和Lünemann提出了一個巧妙的解決方案，他們在Cerullo的干涉儀中新增了一個光學元件——延遲四分之一波片，這使得他們能夠比原始TWINS干涉儀更精確地控制雷射脈衝。

研究人員在實驗中實施了這一想法，並透過研究有機染料中的電荷動態展示了該方法的增強功能。他們還為這項新方法提供了理論解釋。目前，Timmer、Lünemann和Lienau已獲得這項擴充套件干涉測量程式的專利。

參考文獻：Phase-cycling and double-quantum two-dimensional electronic spectroscopy using a common-path birefringent interferometer by Daniel C. Lünemann, Moritz Gittinger, Antonietta De Sio, Christoph Lienau, Daniel Timmer, Cristian Manzoni and Giulio Cerullo, 19 December 2024, Optica.DOI: 10.1364/OPTICA.543007