美国研究团队发现电离辐射诱发强超快光学响应 或助力医学成像与传感技术

9月3日消息，斯坦福大学与美国能源部SLAC国家加速器实验室研究团队利用超快电子和激光脉冲，在半导体材料中观测到电离过程引发的强烈超快光学响应。相关研究已发表在《自然·光子学》上。研究人员认为，这一发现有望为放射成像和传感技术提供新的思路，也为理解材料在高能粒子作用下的基本行为提供了实验依据。

辐射探测是粒子加速器、科学仪器、医学成像和安检设备中的关键技术。现有探测器通常面临信号强度与响应速度之间的取舍：信号较强的探测过程往往较慢，而响应速度快的信号又可能较弱。这种限制会影响探测精度和实时成像能力。

在此次研究中，团队借助SLAC直线加速器相干光源的兆电子伏特超快电子衍射（MeV-UED）装置开展实验。该系统通常被用作研究原子和分子动力学的“电子相机”，但在这项工作中，研究人员并未使用电子对样品成像，而是将高能电子注入半导体样品，以模拟正电子发射断层扫描（PET）等应用中的电离过程，再用不同波长的同步超快激光脉冲探测材料在电离后瞬间产生的光学变化。

研究对象为II-VI族半导体，这类材料常用于红外探测器、光伏太阳能电池等电子应用。实验结果显示，研究团队不仅获得了强烈的超快辐射相关信号，还观察到材料内部电荷载流子的分布方式与预期不同。研究人员原本预计，由高能电子产生的电子—空穴对会较均匀地分散在样品中；但实际观测表明，这些电荷载流子会聚集在局部高密度区域。

这种局部密集的电荷分布改变了材料的带隙，即材料中不存在电子态的能量范围，从而影响半导体吸收和透射光的方式。研究人员表示，在高能电子驱动下，半导体出现了较大的带隙能量变化，使其在通常不能透光的条件下表现出透光特性。

研究团队认为，理解高能电子如何在材料中形成局部高能区域并产生强光学信号，将有助于发展新型传感平台。相关效应未来可能用于较低能量的成像系统，例如医学场景中的实时成像与疾病诊断技术。研究人员表示，他们希望这一方向最终能够支持快速成像和实时干预应用。该研究获得美国能源部科学办公室、美国国家科学基金会和美国国立卫生研究院等资助。