...團隊」在《物理評論快報》發表強雷射場下原子隧道電離研究新進展

2021-01-08 北京大學新聞網

量子遂穿是量子力學基本問題之一，通過對量子隧穿電流的測量，可以實現原子尺度的表面成像，是隧道掃描顯微鏡的基本原理。但如何描述和測量電子在勢壘下的動力學行為一直未得到深入研究，在原子波函數層次上，開展量子遂穿的實驗研究一直是比較困難的。在飛秒強雷射和原子分子相互作用的過程中，雷射場會將原子內部的庫倫場壓低，形成了處於基態電子可以發生隧穿的勢壘，即隧道電離。自前蘇聯科學家L.V. Keldysh首次從理論上研究以來，該領域一直備受關注，因為隧道電離是強場原子分子光物理以及阿秒物理的重要基石。然而目前的實驗和理論一般都只關注於電子隧穿機率，以及電子波包的振幅信息，完全忽略其初始相位，主要是勢壘下相位（sub-barrier phase）。勢壘下相位攜帶著光電子豐富的隧穿動力學信息，卻至今仍然未被觀測到。

北京大學物理學院、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室「極端光學創新研究團隊」的劉運全教授和龔旗煌院士等，針對強雷射場作用下原子的隧穿過程開展深入研究，利用等強度的偏振正交的雙色飛秒光場（800nm + 400nm），深入研究隧穿電子幹涉的幹涉動力學，提出了利用新型的「時空電子幹涉儀」（圖 1）探測電子在隧穿過程中獲得勢壘下相位，揭示電子隧穿的動力學信息。該工作利用先進的冷靶反衝離子電子動量成像譜儀（所謂COLTRIMS），清晰地測量了正交雙色光場下的光子周期內幹涉圖案（圖2），通過與理論模擬的對比【強場近似（SFA）,庫侖修正的強場近似(CCSFA)和數值求解含時薛丁格方程（TDSE）】，揭示出了光電子勢壘下相位的對幹涉圖案的貢獻。研究結果表明勢壘下相位蘊藏著的電子隧穿動力學信息，對光電子幹涉和光電子全息起著不可或缺的作用。該研究工作發表在近期《物理評論快報》上【「Revealing the sub-barrier phase using a spatiotemporal interferometer with orthogonal two-color laser fields of comparable intensity」, Phys. Rev. Lett. 119, 073201(2017）】。

圖1 等強度偏振正交的800nm和400nm雷射的合成光場的時空結構以及在雷射場最大值處的量子隧穿示意圖

圖2 實驗上測量到的在不同相位的 0π(a), 0.25π (b), 0.5π (c), 0.75π (d).正交雙色光場中光電子幹涉圖樣

二年級博士生韓猛是該論文的第一作者。該工作得到中國國家自然科學基金委、科技部、北京大學人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、「2011計劃」量子物質科學協同創新中心等支持。

編輯：安寧


相關焦點

  • 「極端光學創新研究團隊」在《物理評論快報》發表強雷射場下原子...
    量子遂穿是量子力學基本問題之一，通過對量子隧穿電流的測量，可以實現原子尺度的表面成像，是隧道掃描顯微鏡的基本原理。但如何描述和測量電子在勢壘下的動力學行為一直未得到深入研究，在原子波函數層次上，開展量子遂穿的實驗研究一直是比較困難的。在飛秒強雷射和原子分子相互作用的過程中，雷射場會將原子內部的庫倫場壓低，形成了處於基態電子可以發生隧穿的勢壘，即隧道電離。
  • 《物理評論快報》報導物理學院極端光學研究團隊強雷射分子隧道...
    強雷射場下原子分子隧道電離是強場物理的基本問題，對光場調控原子分子動力學有著重要影響，比如電子關聯和高次諧波產生等。理論上精確描述在強雷射場作用下分子隧道電離是非常困難的（見下圖），人們對從分子隧道電離電子波包的特徵缺少深入認識，通常近似地認為分子隧道電離的電子波包為平面波。
  • 《物理評論快報》報導極端光學創新研究團隊
    北京大學物理學院、人工微結構和介觀物理國家實驗室「極端光學創新研究團隊」劉運全教授和龔旗煌院士等，實驗上測量了800nm和400nm圓偏振雷射與Xe原子相互作用的多光子電離過程，通過冷靶電子離子動量譜儀，實現光電子能譜和動量譜的高精度測量。實驗上，他們發現在400nm波長條件下，測量到可分辨多光子特徵的電子能譜和動量譜結構，如圖1(a)。
  • 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電離研究上取得系列進展
    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。
  • 原子光電離-從光電效應到阿秒物理
    報告題目：原子光電離-從光電效應到阿秒物理報 告 人：陳京 研究員，北京應用物理與計算數學研究所報告摘要：雷射技術的發明、發展及應用使人們對對物質光電離過程的認識從弱場條件下的微擾圖像過渡到強場下的非微擾圖像。
  • 上海光機所等在中紅外新波段強場分子物理研究中取得進展
    強場物理是當代物理學研究的重要前沿領域，而強光場中原子分子的電離機制研究是該領域的重要基礎。近年來，可調諧中紅外新波段強場超快雷射的出現與迅速發展，促使強場光電離研究深入到隧穿電離甚至深隧穿電離的參數空間，從而將已有數十年歷史的強場原子分子物理研究領域推進到一個嶄新階段。
  • 中國團隊首次實現異核原子的量子糾纏,成果被《物理評論快報》發表
    近日，中國科學院武漢物理與數學研究所宣布，由該所詹明生研究員領導的研究團隊利用裡德堡態原子的偶極-偶極相互作用，成功實現了一個銣-85 原子和一個銣-87 原子的量子糾纏和基於這兩個原子的量子受控非門。
  • 物理學院在正交雙色光場下原子電離過程的非絕熱效應方面取得重要...
    在強飛秒雷射脈衝與原子分子相互作用的研究中，電子的隧穿電離通常是各種強場現象的第一步，而這個過程通常被認為是絕熱發生的。強場物理中的很多實驗都依賴於這個絕熱隧穿模型去解釋相應的測量結果。但是，絕熱模型的適用範圍，以及在當前許多實驗中電子的隧穿過程是否存在非絕熱效應，這是一個亟待解決的問題。
  • 精密測量院等在分子「阿秒鐘」探測量子隧穿時間研究方面取得進展
    相關工作發表在物理學雜誌《物理評論快報》（physical Review Letters）上。　　量子隧穿效應是指在微觀世界中，電子等微觀粒子能夠穿越高於自身能量位壘勢的「奇異」行為。量子隧穿效應是微觀粒子呈現出來的基本量子特性，無法用經典力學的觀點進行解釋。量子隧穿對理解眾多自然現象，如恆星核聚變、放射性衰變等起著至關重要的作用，同時也是掃描隧道顯微鏡等現代科學儀器的物理基礎。
  • 我國在原子分子超快動力學研究方面取得重要進展
    中國證券網訊 新華社12月25日消息，飛秒強雷射為在原子時空尺度（阿秒時間與亞埃空間尺度）探測物質微觀結構及電子超快動力學提供了重要手段。近日，我國專家在利用飛秒強雷射探測原子分子結構及電子超快動力學研究方面取得重要進展。
  • (科技)我國在原子分子超快動力學研究方面取得重要進展
    新華社武漢１２月２５日電（記者李偉）飛秒強雷射為在原子時空尺度（阿秒時間與亞埃空間尺度）探測物質微觀結構及電子超快動力學提供了重要手段。近日，我國專家在利用飛秒強雷射探測原子分子結構及電子超快動力學研究方面取得重要進展。
  • 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...
    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。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.
  • 2012年度「中國高等學校十大科技進展」入選項目介紹
    二、強雷射場下原子分子隧道電離研究　　隧道電離是強雷射場原子分子物理的基本過程。隧道電離深入研究將揭示強雷射場與物質相互作用動力學過程的物理本質，可以推動阿秒（10-18s） 極端超快科學、原子分子成像以及超快光場調控等新興研究領域的快速發展。
  • 頂級刊物《物理評論快報》發表北大俞大鵬和張家森團隊合作研究新...
    對表面等離激元納米共振腔中模式的研究，不但可以揭示光與金屬納米結構相互作用機理，同時為納米尺度的全光調製器、濾波器和納米雷射器等提供新原理和新方法。近日，北京大學物理學院俞大鵬教授和張家森教授團隊合作研究，團隊博士生朱新利等對圍欄形的表面等離激元納米共振腔中的模式開展了一系列研究。
  • 南科大學者在《物理評論快報》發表合作研究成果
    Transitions via Out-of-Time-Ordered Correlators」為題在國際著名雜誌《物理評論快報》（Physical Review Letters )發表。量子相變是多體物理中最重要的現象之一，平衡態量子相變通常伴隨著序參量在相變臨界點附近的不連續變化，一般可以用重整化群理論來解釋。儘管科學家對平衡態量子相變的理論與實驗研究取得了很大的進展，如何去理解發生在遠離平衡態的量子相變仍然是個國際難題。近年來，隨著實驗技術手段的進步，孤立量子多體系統動力學中出現的動態量子相變在理論和實驗方面引起了很多的關注和興趣。
  • 極端光學團隊在強雷射光子的自旋軌道相互作用研究中取得新進展
    「極端光學創新研究團隊」劉運全教授和龔旗煌院士等結合高分辨光電子成像技術，對光場調控對強雷射場中光子自旋軌道相互作用進行了開創性研究。該研究以「Photoelectronic mapping of the spin–orbit interaction of intense light fields」為題於近日發表在《自然·光子學》上。 微觀粒子的自旋角動量和軌道角動量是描述粒子複雜動力學行為中最基本的兩個物理量，這兩個角動量之間的耦合普遍存在於自然界之中。
  • 物理評論期刊收錄光學10大進展：雷射物理、光譜成像、數據傳輸
    評選活動，旨在向廣大讀者介紹國內科研人員在知名學術期刊上發表的與光學相關的具有重要學術、應用價值的論文，促進研究成果在國內的推廣傳播。基礎研究主要是指為了認識的目的而獲取自然規律、原理的新知識所進行的創造性研究，並不以何特定的或具體的應用為目的而開展的實證性工作或理論性工作。b. 應用研究主要是指為了實現某一特定的或具體的應用目的或目標而獲取應用原理、規律的新知識所進行的獨創性研究。
  • 飛秒強雷射調控二聚體分子超快動力學研究獲進展
    近日，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院研究員柳曉軍團隊與奧地利維也納工業大學研究人員合作，在飛秒強雷射與團簇分子相互作用研究中，發現了一種在亞光學周期時間尺度內發生的雷射誘導電子轉移（LITE）現象，為利用飛秒強雷射控制複雜分子化合物的超快動力學開闢了一條新途徑。光誘導電荷轉移是自然界普遍存在的一種微觀超快物理過程，對光催化和光合反應等起著至關重要的作用。
  • 美科學家利用紫外雷射揭示砹原子電離勢
    據物理學家組織網5月14日報導，一個國際研究小組利用歐洲核子研究中心（CERN）的放射性同位素設備，揭示了砹的第一電離勢（first ionization potential）和電離臨界值。相關論文發表在最近的《自然•通訊》上。
  • 中外聯合科研團隊測定量子隧穿時間上限為10阿秒
    新華社武漢12月13日電（記者譚元斌）量子隧穿時間研究取得新進展，一個由中、俄、澳三國科研人員組成的聯合科研團隊，運用新的分子「阿秒鐘」方案，測定量子隧穿的時間上限為10阿秒。相關研究成果近期已發表於國際物理學權威期刊《物理評論快報》。