學過物理的許多人可能知道，光電效應是當光撞擊材料時電子的發射。 以這種方式發射出的電子稱為光電子。這種現象在物理學和諸如量子化學和電化學的化學領域中被普遍研究。光與物質之間的相互作用是許多基本現象和各種實用技術的基礎。
最著名的是，在光電效應中，電子是反射光的材料中發射出來的。這種現象的起源長期以來一直是一個謎，只有隨著量子理論的出現，多虧愛因斯坦才使這種現象得到充分理解。愛因斯坦因發現這一基本定律而獲得1921年諾貝爾物理學獎。
但在某些重要情況下，關鍵原理是從光子到電子傳輸的不是能量而是線性動量（或脈衝）轉移。例如，在使用雷射冷卻微觀和宏觀物體或了解輻射壓力現象時，就是這種情況。
電離（Ionization），或稱電離作用、離子化、游離化，是指在物理性的能量作用下，原子、分子在水溶液中或熔融狀態下產生自由離子的過程。通過電離產生光電子是光與物質之間相互作用的最基本過程之一。
但是，關於光子如何將其線性動量傳遞給電子，一直存在著深層次的問題。瑞士蘇黎世聯邦理工學院（英文簡稱：ETH Zurich）的物理學家，現在對此深層次的問題取得了重要的認知。他們通過首次在次飛秒級別上研究電離過程中線性光子的動量轉移而取得的。飛秒（femtosecond）是一種時間的國際單位，為千萬億分之一秒。次飛秒（sub-femtosecond）級指還低於飛秒級的時間段。
儘管動量傳遞具有根本的重要性，但是關於光如何將其脈衝傳遞到物質上的確切細節仍未完全理解。原因之一是，傳輸的脈衝在光周期內會以極快的亞飛秒時間尺度上變化。到目前為止，研究發現主要是有關時間平均行為的信息，而在光電離過程中缺少線性動量傳遞的時間相關方面。據發表在今天的《自然通訊》上的一篇論文評價報導中指出，瑞士蘇黎世聯邦理工學院量子電子研究所的科學家們填補了這一空白，取得了關於光電子誕生機理的重大認知。
他們研究了高雷射強度的情況，其中多個光子參與電離過程，並研究了在雷射傳播方向上傳遞了多少動量。為了獲得足夠的時間解析度，他們首創並採用了一種叫做阿秒原子鐘的技術。
阿秒（attosecond），符號記為 as，是一種時間的國際單位，為10的負18次方秒。這是什麼樣的一個概念呢？比方說，如果把一阿秒當作我們的一秒，那麼這樣對應的一秒就相當於 317.1 億年，約為我們現在已知的宇宙年齡的兩倍。
阿秒原子鐘（attoclock）是一種功能強大、新穎的、超常規的研究工具，用於在原子尺度上研究極為基礎的阿秒級的動力學。通過使用這樣一種原子鐘來測量氦和氬原子的雷射誘導電離中的隧穿延遲時間，從而獲得了令人驚訝的結果。
在這種方法中，無需產生阿秒級的雷射脈衝即可實現阿秒級的時間解析度。這樣，關於接近圓偏振光的旋轉雷射場矢量的信息，用作於以秒為單位測量相對於電離事件的時間。這就如通常的時鐘指針非常相似，這種時鐘指針在一個11.3 飛秒的持續時間段裡的光學周期內旋轉了一個完整的圓圈。
有了這個功能強大的工具，物理學家就能夠確定在光電子「誕生」之時，獲得了多少線性動量電子。他們發現，沿雷射傳播方向傳遞的動量確實取決於在雷射振蕩周期中電子何時從物質（例如氙原子）中「釋放」出來。這意味著至少對於他們所探索的場景，時間平均輻射壓力的景象是不適用的。有趣的是，它們可以在經典模型中幾乎完全重現觀察到的行為，而許多光-物質相互作用的場景（例如康普頓散射）只能在量子力學模型中解釋。
不過，必須考慮到傳出的光電子與殘留氙離子之間的相互作用來擴展經典模型。他們在實驗中表明，這種相互作用在線性動量傳遞的時間上引起了額外的阿秒級延遲，這與脈衝過程中產生的自由電子的理論預測相比有所不同。此類延遲是光電離的一般屬性還是僅適用於本研究中研究的那種情況，目前尚無定論。
然而，顯而易見的是，通過對在電離過程中自然時間尺度上電離過程中線性動量轉移的首次研究，研究人員開闢了一條新的令人興奮的途徑，通過強場電離中多光子動量傳遞的亞周期時間解析度，以探索光物質相互作用的極為基本的本質，從而使光子相互作用成為了在以阿秒級的尺度上進行科學探索。
參考資料：Willenberg B, Maurer J, Mayer BW, Keller U: 「Sub-cycle time resolution of multi-photon momentum transfer in strong-field ionization」. Nature Communication. 10, 5548 (2019)