自由電子雷射眼中的三體量子世界

2019-11-05來源：中國科學院學習平臺作者：江玉海

三體問題（three-body problem），天體力學中的基本力學模型，研究三個可視為質點的天體在相互之間萬有引力作用下的運動規律問題，比如太陽系中的太陽、地球和月亮。

三體問題一直是困擾人類的基本科學問題，看似簡單卻十分複雜。三體運動軌跡非常敏感，它們的質量、位置和初始速度，這些量的微小變化，都有可能導致無法準確預言的混沌狀態。

牛頓、克卜勒、龐加萊、拉格朗日、歐拉等傑出的數學家、物理學家和天文學家都曾為此探索。然而，現在人們能夠認識的，也僅僅是特定情況下的周期性運動規律而已。

圖1：(a)太陽地球月亮宏觀三體運動示意圖和(b)氦原子中原子核和兩個電子的微觀量子三體運動示意圖（（a）圖片來自網絡）

量子微觀世界中的三體問題

類似於經典三體問題，量子微觀世界中也存在這樣的複雜三體問題。比如氦原子的雙電子激發態（如圖1(b)），由於原子內庫倫相互作用，激發態中兩個電子之間存在徑向和角度的強關聯。

隨著光子激發能量接近雙電子電離閾值和雙電離，也存在電子周期性運動軌道到量子混沌的現象，實現量子規律到經典現象又到量子規律的跨越，是科學家研究和認識經典三體問題的理想微觀體系。

圖2：氦原子雙激發態雙通道量子幹涉示意圖

圖2勾畫出的是氦原子雙電子激發態形成的示意圖，這裡涉及到經典的量子規律「which-way」問題，最終FANO線型的形成可以看成兩個不可區分的量子通道幹涉形成的，不同線型反映出通道之間的強弱關聯相互作用。

雷射家族新秀：短波自由電子雷射

短波自由電子雷射是由高速運動的自由電子與自身電磁場相互作用而產生的相干光，它是近年來雷射家族的新秀，其特點為高亮度、波長可調和超短脈衝。這個大型科學平臺的出現，已經讓科學家們發現了許多神秘的新物理現象和新物質態，比如黑洞分子和空穴原子等。

自由電子雷射在新能源材料和生物複雜分子相干成像等領域都有著非常重要的突破。

操縱氦原子中雙激發態，認識三體強關聯

科學家通過調節波長，鎖定氦原子雙激發量子幹涉過程，直接觀察氦原子雙激發態的產生演化，並通過改變雷射參數來調控雙激發態的變化。同時，當強的自由電子雷射照射一個原子，原子的電子結構會發生「扭曲形變」， 也可以看成「瞬時」新量子態（如圖3所示）。

圖3：短波自由電子雷射與氦原子相互作用原理示意（圖片來自Christian Ott等，Phys. Rev. Lett. 123,163201(2019)）

近期，中科院上海高研院利用短波強自由電子雷射，成功操縱了氦原子中雙激發態。該研究首次發現雙激發態受到雷射場強度扭曲的一些特殊規律，讓人們認識到如何通過外場雷射調控物質中電子對快速演化，以及重新認識三體強關聯規律。

這種單原子變化，對認識探索強雷射與物質在最基本層面上的相互作用，是非常有意義的。這也是未來研究強場材料物理和物理化學的重要基礎。微觀量子三體強關聯的新研究將進一步提升人們對宏觀三體問題的認識。

該實驗是在德國海德堡馬普所組織下，通過和中科院上海高研院的江玉海研究員課題組合作，在德國漢堡FLASH光源上完成。該研究對正在建設進行中的上海SFEL光源和SHINE光源建設以及未來將開展的科學研究方向有指導作用。

相關結果 "Strong-Field Extreme-Ultraviolet Dressing of Atomic Double Excitation" 發表於 Phys. Rev. Lett. 123,163201(2019)。該工作同時作為編輯推薦（Editors' Suggestion） 與 APS Physics 精選論文（「Featured in Physics」），獲得了推薦點評（Synopsis: Distorting Helium Atoms with XUV Light）。