Написано AZoNano 2019

Механизм фотоэмиссии электронов из металлических наноструктур при сверхбыстром лазерном возбуждении теперь объясняется результатами российско-японского эксперимента.

Когда металлические ансамбли наночастиц облучаются мощными лазерными импульсами фемтосекундной длительности (1 фс = 10-15 секунд), они испускают короткие сгустки электронов.

Теперь, в университете Лобачевского, исследователи уже давно изучают плазмонный эффект – возбуждение светом коллективных электронных колебаний в наночастицах, а также усиление светового поля, связанного с этими колебаниями, в изгибе наночастицы, которое играет важную роль в этом процессе. Эффективная фотоэмиссия электронов из металла обеспечивается плазмонным усилением светового поля.

Возможности жизнеспособного применения плазмонных наноструктур связаны с их использованием в качестве сверхбыстрых фотокатодов для создания импульсных источников когерентного рентгеновского излучения высокой яркости, а также для создания микроскопов с высоким временным разрешением.

Фотоэмиссия электронов от металлических наночастиц обычно сопровождается излучением терагерцового излучения (его диапазон в масштабе электромагнитных волн находится между микроволнами и светом), что делает возможным использование этого излучения в качестве инструмента для исследования фотоэмиссии.

Интенсивность терагерцового излучения нелинейно зависит от интенсивности лазерного импульса и демонстрирует высокий порядок нелинейности (от 3 до 6 в различных экспериментах). Хотя механизм генерации терагерцового излучения фотоэлектронами до конца не изучен, считается, что высокий порядок нелинейности объясняется многофотонной природой эмиссии электронов, то есть необходимостью передавать энергию от нескольких лазерных фотонов к электрон для выполнения работы по высвобождению электрона из металла .

Михаил Бакунов, заведующий кафедрой общей физики Лобачевского университета

Чтобы проверить теорию механизма многофотонной фотоэмиссии, исследователи Лобачевского университета вместе со своими японскими коллегами из университета Осаки, университета Синсю и Токийского технологического института провели эксперимент, в котором мощные ультракороткие световые импульсы Различные длины волн – от 600 до 1500 нм – использовались для облучения металлической наноструктуры одного и того же типа, ассортимент золотых наностержней («золотой нанофорест»).

Результат был неожиданным. Несмотря на то, что энергия квантов изменялась в два раза, порядок нелинейности был более или менее одинаковым (4,5-4,8) для длин волн в диапазоне от 720 до 1500 нм. Более того, порядок нелинейности был еще выше (6,6) для длины волны 600 нм (с максимальной квантовой энергией).

Эти результаты опровергают гипотезу многофотонной эмиссии электронов. В то же время экспериментальные зависимости хорошо согласуются с механизмом туннельной эмиссии, благодаря которому электроны выходят из металла под действием усиленного плазмоном светового поля.

Михаил Бакунов, заведующий кафедрой общей физики Лобачевского университета

Результаты исследования, проведенного российскими и японскими исследователями, были опубликованы в одном из ведущих научных журналов, Scientific Reports.