固体光电子阿秒测量中的能量色散特性研究

The ultrafast dynamic behaviors of electrons in matters typically happen on attosecond-time scale, deciding the most basic properties of matters. Photoemission of electrons can be resolved on attosecond-time scale with current laser technologies. Two attosecond measurement methods: attosecond streaking spectroscopy and attosecond interferometry have been applied to the measurements of photoelectron emission from atoms and solids. Because of the complexity of geometry and electronic band structure in solids, the related theory faces huge challenges. In this project, we plan to systematically study the influence of electronic energy dispersion in solids on the measurement results of photoemission time by establishing and improving the related quantum-mechanical models of strong-field approximation and time-dependent Schrödinger equation. Our purpose is to get the quantitative relation between energy dispersion and photoemission time and to reveal the physical principle of magnifying effect of dispersion on photoemission time. According to such principle, the new measurement scheme will be promising to improve the time measurement resolution from about 20 attosecond currently to sub-single attosecond, thus greatly extending the application of attosecond measurement methods in materials with special energy dispersion, such as semiconductor.

物质中电子的超快动力行为一般发生在阿秒（10的负18次方秒）时间尺度上，决定了物质的最基本属性。当前的激光技术已经可以在阿秒时间尺度上分辨光电子的发射过程。两种阿秒测量方法：阿秒条纹扫描谱和阿秒干涉测量方法已经应用到原子和固体的光电子发射测量中。由于固体几何结构以及电子能带结构的复杂性，相关的理论面临巨大的挑战。本项目拟通过建立和改进相关的强场近似和含时薛定谔方程量子理论模型来系统地研究电子在固体中的能量色散对光电子发射时间测量结果的影响。我们的目的是得到能量色散与发射时间之间的定量关系，揭示其对发射时间测量的放大效应的物理原理。依据此原理的新测量方案有望将时间测量精度从目前的约20阿秒提高到单阿秒以下，从而极大地推广阿秒测量技术在半导体等具有特殊能量色散材料研究中的应用。

当前最先进的激光技术通过驱动稀有气体已经可以获得极紫外阿秒脉冲。这样极短的脉冲可以激发物质中的光电子发射，结合红外激光，从而能在阿秒时间尺度上分辨光电子的发射过程，为探测物质中与电子相关的物理机制提供了一个可靠的工具。尽管当前最先进的极紫外阿秒脉冲泵浦-红外激光脉冲探测技术早已广泛应用到原子和固体的光电子发射时间测量中，在相关的物理解释和推广应用中还存在很多迫切需要解决的问题。由于固体几何结构以及电子能带结构的复杂性，相关的理论解释面临巨大的挑战。本项目中我们建立了能包含能量色散的简化量子力学模型，揭示了能量色散对固体光电子发射时间测量结果的定量影响。这在原理上解释了实验上观测到的，但是五年来未能解释的，严重依赖于能量的金属光电子发射时间。进而我们又提出了利用紫外阿秒脉冲泵浦-红外激光脉冲探测技术来测量光电子在固体中的能量色散。为了拓宽阿秒测量技术的应用，我们研究了原子库仑势等物理因素对光电子发射时间的影响，提出了通过测量光电子发射时间来确定光电子发射位置，其精度在皮米量级。阿秒量级的光电子发射时间的测量，反过来可以用来精确提取红外激光场的脉冲包络。