奈米天线穿隧电流记录激光波

观察宇宙的最重要、最直观的方法之一是透过对光的观测。尽管如此，我们使用的观测器，无论是我们的眼睛，还是我们使用的无数种相机和其它电子设备，都太慢了，无法在电磁场震荡的时间尺度上记录光的观测。在近红外光和可见光范围，电磁场每隔几飞秒（femtosecond）就会改变方向—这个时间窗口对于传统电子设备来说太短了，除了最尖端的短脉冲激光之外，甚至对于所有激光来说也都太短了。若能有关于光观测之直接呈现的可能性，将是相当吸引人的事。

然而，观察完整与任意形状的光场波形，可以解读其与物质交互作用的完整历史[1]。如果短脉冲穿过具有共振交互作用的材料，则在随后对光场进行观测，可以实现灵敏的光谱学[2]。分子一旦被脉冲激发，就会振动，释放出接近其共振频率的电磁波，就像被锤子敲击后发出声波的铃铛，让来自分子的小讯号出现在背景脉搏之上。若要实现光波在交互作用周期内的探测，利用跨领域原理的电磁场观测将是必要的。

为此，研究人员一直在开发基于超快光学的方法来研究激光脉冲的电场。如果激光脉冲可以触发一个足够短的事件，以至于它存在于被测量的场的半个振荡周期内，那么它有机会在改变符号之前对场进行快照。这个快照必须被编码成为一个可观测的数量，该数量将对两个脉冲的组合影响做出反应。文献上已经使用的一些快速效应的例子是在阿秒（attosecond）条纹中从原子中发射电子 [3] [4]，当测量的场影响它们在飞时测距（time-of-flight）的光谱仪时的动量时，或者当一个原子被强场解离后，被测量的场在返回核心时会改变它们的动量[5]，从而改变高谐波光子的发射。还可以使用短脉冲激光场注入载子并测量电流[6][7]，或在短脉冲的极化状态中引起的场致变化[8]。

后面那种效应，电光采样[9][10]几十年来一直是太赫兹（terahertz）范围内测量的主要内容。事实上，来自太赫兹范围令人着迷的场解析研究[11]-[14]提供了一些可能性，即随着这些技术达到更高的频率，光场检测技术应用将会开启。

如果没有放大激光系统所带来的强非线性（通常每秒仅提供几千个脉冲），就很难诱导上述光场检测方法。使用低能量激光脉冲的能力将允许使用不太复杂的激光系统，例如没有后放大的锁模振荡器。这可以允许每秒进行数百万次测量，因为它们提供了更密集的脉冲串行。

现今，Mina Bionta及其同事在 《自然光学》 上撰写，展示了使用电浆子奈米天线的近红外光场检测 [15]，该天线提供了局部电场的强烈增强，让它们使用相对微量的激光能量工作，以及吸引人的时间闸门控制机制，其中增强电浆子模式中的激光场足够强，以诱导电子穿过奈米结构中的 50 nm 间隙。结构间隙内的电浆子场增强使它们能够以皮焦耳的激光能量，达到高度非线性的操作状态，例如，与通常使用微焦耳或毫焦耳量级的脉冲能量进行之高次谐波的生成相比。

Bionta及其同事在该结构中采用的场发射过程包括一个金的三角形，该三角形的顶点紧邻细金线（图一），具有对使用10-fs 进行场的检测极重要的特性-他们使用的激光长脉冲。发射率是激光强度的非线性函数。根据穿隧过程的 Fowler-Nordheim模型，当他们增加样品上的激光功率时，电流的增加速度快于强度的三次方。电流与场的高斜率使得成为可测量的量，即跨越间隙的电流，对他们希望检测相对较弱的电场波形的应用非常敏感，并将场发射及时限制在组合场内的最强时刻，该装置的不对称结构还提供了对发射事件的时间限制，因为它只会在场指向正确方向穿过间隙时发生。

图一、用于闸门控制弱场检测的时间相关穿隧。（a）作为时间的函数，强激光场的存在升高和降低电子在电浆子奈米天线尖端看到的穿隧障壁，将发射限制在脉冲的最强半周期。V 是位能障壁的高度，x 是跨越间隙的位置，t 是时间。（b）发射率是场强的高度非线性函数，当要测量的弱场迭加在该强场上时，它会显著改变穿过障壁的电子数量。当强帮浦和弱检测场之间的时间延迟发生变化时，可以观察到电子发射速率的变化，从而可以记录弱场的波形。

有了这些组件，Bionta 和同事可以控制为了过程提供动力的强场和他们测量的弱场的相对时间，并观察电流随延迟的变化。根据他们对发射过程时序的理解，延迟的这些变化可以追踪出一个波形，然后可以将其直接转换为波形的电场。有趣的是，检测只发生在几个结构上，这意味着检测到的场体积非常小。 尽管如此，他们还是能够观察到仅携带飞焦耳能量的红外光脉冲波形。

在这些与其类似设备中，测量电场将比以往的任何时候都更详细地了解等电浆场中光-物质相互作用的动力学。这种系统有可能被整合到紧凑而灵敏的光场分辨光谱系统中，将方法扩展到另一有前途的研究领域。