物理學院極端光學創新團隊彭良友教授和龔旗煌院士等在氦原子雙...

2020-11-24 北大新聞網

近期，人工微結構和介觀物理國家重點實驗室極端光學團隊彭良友教授和龔旗煌院士團隊與德國法蘭克福大學Dörner研究組、深圳大學的姜維超助理教授、維也納工業大學Burgdörfer教授合作在氦原子雙電離研究方面取得了重要進展。

當前，多個實驗室和重大科學設施致力於產生各種新型光源，包括自由電子雷射和臺式超短強雷射脈衝，利用這些光源與物質的相互作用，很多嶄新的物理機制不斷被人們發現和認識。隨著光源和探測技術的發展，大光子能量下的光電離過程成為新的研究對象，當光子波長和電子運動尺度可比擬時，非偶極效應將不可忽略，為理論計算和實驗測量帶來了新的挑戰。另外，在強XUV脈衝作用下的理論計算在穩定性和複雜度方面也提出了更苛刻的要求。 彭良友教授和龔旗煌院士等長期致力發展系列數值方法精確求解少電子原子分子體系的含時薛丁格方程，開發了數套大規模並行計算程序，部分程序的運行效率和計算精度達到了業界領先水平。在原有工作的基礎上，此次他們將氦原子雙電離的程序分別拓展到能精確處理任意偏振光下電離時的非偶極效應以及高強度XUV脈衝下的雙電離過程。

理論預測的兩個電子和離子所獲得的線動量隨光子能量的變化與實驗測量的比較

在第一個工作中，當考慮了光的非偶極作用以後，光壓和光子線動量對電離過程的影響便能得到精確研究，氦原子單光子雙電離時光子線動量在離子、兩個電子三者間如何轉移和分配是一個重要問題。團隊利用新開發的包含非偶極效應的全維含時薛丁格方程計算程序，精確計算了氦原子單光子雙電離過程中的離子、電子在雷射偏振方向所獲得的動量及能量的一階微分譜，其結果與德國合作組的實驗測量數據高度吻合。進一步的分理論分析表明，雙電離的電子動量-能量線性關係與氫原子的既有相似之處，也有電子關聯帶來的重要影響，並且進一步觀察到了離子的動量與光子的動量反向這一反常現象。這一工作開啟了多電子體系中的光子線動量轉移和分配的研究，近期發表於《物理評論快報》【Si-Ge Chen, Wei-Chao Jiang, S. Grundmann*, F. Trinter, M. S. Schoeffler, T. Jahnke*, R. Dorner, Hao Liang, Mu-Xue Wang, Liang-You Peng*, and Qihuang Gong, Phys. Rev. Lett. 124, 043201 (2020)】，物理學院光學所碩士生陳思格為論文的第一作者。

在第二個工作中，研究團隊與合作者一起，利用推廣優化後的氦原子雙電離程序，在理論上預言了單個超短強XUV雷射脈衝與He原子相互作用時在雙光子雙電離譜中將會出現一種新奇的雙電子波包幹涉現象。研究團隊在他們前期雙電離的虛序列圖像下【Wei-Chao Jiang,et al.,Phys. Rev. Lett. 115, 153002 (2015)】，進一步加上強場近似的思路，建立了相應的半解析模型，明確解釋了導致雙電子能譜中幹涉結構的物理機制。他們系統的理論研究表明，這種雙電子能譜上新型的網格狀幹涉結構，與超短強XUV雷射脈衝下的動態幹涉效應、雙電離的多電離通道，以及兩電子的交換對稱性等密切相關。他們的研究表明，與單電離過程中的動態幹涉相比，雙電離中動態幹涉出現的條件更為寬鬆，為動態幹涉在實驗上的驗證提供了新的可能。該工作近期發表在《物理評論快報》上【Wei-Chao Jiang*, Si-Ge Chen, Liang-You Peng*, and Joachim Burgdörfer, Phys. Rev. Lett. 124, 043203 (2020)】，深圳大學青年助理教授姜維超為第一作者，部分工作在人工微結構和介觀物理國家重點實驗室的開放課題的支持下完成。

氦原子在參數各異的XUV雷射脈衝作用下的雙電子聯合能譜

以上研究工作得到國家自然科學基金委、科技部、納光電子前沿科學中心、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室和極端光學協同創新中心等的重要支持。

論文原文連結：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.043201

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.043203

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