奈米天線穿隧電流記錄雷射波

觀察宇宙的最重要、最直觀的方法之一是透過對光的觀測。儘管如此，我們使用的觀測器，無論是我們的眼睛，還是我們使用的無數種相機和其他電子設備，都太慢了，無法在電磁場震盪的時間尺度上記錄光的觀測。在近紅外光和可見光範圍，電磁場每隔幾飛秒（femtosecond）就會改變方向—這個時間窗口對於傳統電子設備來說太短了，除了最尖端的短脈衝雷射之外，甚至對於所有雷射來說也都太短了。若能有關於光觀測之直接呈現的可能性，將是相當吸引人的事。

然而，觀察完整與任意形狀的光場波形，可以解讀其與物質交互作用的完整歷史[1]。如果短脈衝穿過具有共振交互作用的材料，則在隨後對光場進行觀測，可以實現靈敏的光譜學[2]。分子一旦被脈衝激發，就會振動，釋放出接近其共振頻率的電磁波，就像被錘子敲擊後發出聲波的鈴鐺，讓來自分子的小訊號出現在背景脈搏之上。若要實現光波在交互作用周期內的探測，利用跨領域原理的電磁場觀測將是必要的。

為此，研究人員一直在開發基於超快光學的方法來研究雷射脈衝的電場。如果雷射脈衝可以觸發一個足夠短的事件，以至於它存在於被測量的場的半個振盪週期內，那麼它有機會在改變符號之前對場進行快照。這個快照必須被編碼成為一個可觀測的數量，該數量將對兩個脈衝的組合影響做出反應。文獻上已經使用的一些快速效應的例子是在阿秒（attosecond）條紋中從原子中發射電子 [3] [4]，當測量的場影響它們在飛時測距（time-of-flight）的光譜儀時的動量時，或者當一個原子被強場解離後，被測量的場在返回核心時會改變它們的動量[5]，從而改變高諧波光子的發射。還可以使用短脈衝雷射場注入載子並測量電流[6][7]，或在短脈衝的極化狀態中引起的場致變化[8]。

後面那種效應，電光採樣[9][10]幾十年來一直是太赫茲（terahertz）範圍內測量的主要內容。事實上，來自太赫茲範圍令人著迷的場解析研究[11]-[14]提供了一些可能性，即隨著這些技術達到更高的頻率，光場檢測技術應用將會開啟。

如果沒有放大雷射系統所帶來的強非線性（通常每秒僅提供幾千個脈衝），就很難誘導上述光場檢測方法。使用低能量雷射脈衝的能力將允許使用不太複雜的雷射系統，例如沒有後放大的鎖模振盪器。這可以允許每秒進行數百萬次測量，因為它們提供了更密集的脈衝串列。

現今，Mina Bionta及其同事在 《自然光學》 上撰寫，展示了使用電漿子奈米天線的近紅外光場檢測 [15]，該天線提供了局部電場的強烈增強，讓它們使用相對微量的雷射能量工作，以及吸引人的時間閘門控制機制，其中增強電漿子模式中的雷射場足夠強，以誘導電子穿過奈米結構中的 50 nm 間隙。結構間隙內的電漿子場增強使它們能夠以皮焦耳的雷射能量，達到高度非線性的操作狀態，例如，與通常使用微焦耳或毫焦耳量級的脈衝能量進行之高次諧波的生成相比。

Bionta及其同事在該結構中採用的場發射過程包括一個金的三角形，該三角形的頂點緊鄰細金線（圖一），具有對使用10-fs 進行場的檢測極重要的特性-他們使用的雷射長脈衝。發射率是雷射強度的非線性函數。根據穿隧過程的 Fowler-Nordheim模型，當他們增加樣品上的雷射功率時，電流的增加速度快於強度的三次方。電流與場的高斜率使得成為可測量的量，即跨越間隙的電流，對他們希望檢測相對較弱的電場波形的應用非常敏感，並將場發射及時限制在組合場內的最強時刻，該裝置的不對稱結構還提供了對發射事件的時間限制，因為它只會在場指向正確方向穿過間隙時發生。

圖一、用於閘門控制弱場檢測的時間相關穿隧。（a）作為時間的函數，強雷射場的存在升高和降低電子在電漿子奈米天線尖端看到的穿隧障壁，將發射限制在脈衝的最強半週期。V 是位能障壁的高度，x 是跨越間隙的位置，t 是時間。（b）發射率是場強的高度非線性函數，當要測量的弱場疊加在該強場上時，它會顯著改變穿過障壁的電子數量。當強幫浦和弱檢測場之間的時間延遲發生變化時，可以觀察到電子發射速率的變化，從而可以記錄弱場的波形。

有了這些元件，Bionta 和同事可以控制為了過程提供動力的強場和他們測量的弱場的相對時間，並觀察電流隨延遲的變化。根據他們對發射過程時序的理解，延遲的這些變化可以追蹤出一個波形，然後可以將其直接轉換為波形的電場。有趣的是，檢測只發生在幾個結構上，這意味著檢測到的場體積非常小。 儘管如此，他們還是能夠觀察到僅攜帶飛焦耳能量的紅外光脈衝波形。

在這些與其類似設備中，測量電場將比以往的任何時候都更詳細地了解等電漿場中光-物質相互作用的動力學。這種系統有可能被整合到緊湊而靈敏的光場分辨光譜系統中，將方法擴展到另一有前途的研究領域。