Результаты российско-японского эксперимента объяснили механизм фотоэмиссии электронов металлическими наноструктурами под воздействием ультракоротких импульсов света

Ансамбли металлических наночастиц способны испускать короткие сгустки электронов при облучении их мощными лазерными импульсами фемтосекундной (1 фс = 10-15 с) длительности. Ученые Университета Лобачевского давно занимаются изучением плазмонного эффекта — возбуждение светом коллективных колебаний электронов в наночастицах и связанное с этими колебаниями усиление светового поля в окрестности наночастицы, который при этом играет основную роль. Плазмонное усиление поля и обеспечивает эффективную фотоэмиссию электронов из металла.

Перспективное практическое использование плазмонных наноструктур заключается в их использовании в качестве сверхбыстрых фотокатодов для создания импульсных источников когерентного рентгеновского излучения высокой яркости и микроскопов с высоким временным разрешением.

Фотоэмиссия электронов из металлических наночастиц сопровождается испусканием терагерцового излучения (на шкале электромагнитных волн находится между светом и микроволнами), что позволяет использовать это излучение в качестве инструмента исследования фотоэмиссии.

«Интенсивность терагерцового излучения нелинейно зависит от интенсивности лазерного импульса, демонстрируя высокий (от 3 до 6 в различных экспериментах) порядок нелинейности. Хотя механизм генерации терагерцового излучения фотоэлектронами до конца не выяснен, считается, что высокий порядок нелинейности объясняется многофотонным характером эмиссии электронов — необходимостью передачи электрону энергии от нескольких лазерных фотонов для преодоления работы выхода из металла», — комментирует исследование заведующий кафедрой общей физики Университета Лобачевского профессор Михаил Бакунов.

Для проверки гипотезы о многофотонном механизме фотоэмиссии учеными Университета Лобачевского совместно с японскими коллегами из Университета Шиншу (Shinshu University), Университета Осаки (Osaka University) и Токийского Института технологий (Tokyo Institute of Technology) был впервые проведен эксперимент, в котором одна и та же металлическая наноструктура (золотой «нанолес») облучалась мощными ультракороткими импульсами света различной длины волны — от 600 нм до 1500 нм.

Результат оказался неожиданным. Несмотря на более чем в два раза, отличающуюся энергию квантов, порядок нелинейности оказался примерно одинаковым (4,5-4,8) для длин волн от 720 до 1500 нм и даже большим (6,6) для длины волны 600 нм (с наибольшей энергией кванта).

«Полученные результаты опровергают гипотезу многофотонной эмиссии электронов. В то же время экспериментальные зависимости хорошо согласуются с туннельным механизмом эмиссии, при котором электроны вырываются из металла плазмонно усиленным световым полем», — делает вывод Михаил Бакунов.

Результаты исследований российских и японских ученых опубликованы в одном из ведущих научных журналов Scientific Reports.