一种阿秒分辨率解决光电离路径间量子干涉的方法

阿秒物理学领域的建立是为了以前所未有的时间分辨率探索光与物质的相互作用。该领域的最新进展使物理学家对原子和分子中电荷载流子的量子动力学有了新的认识

已被证明对于在该领域进行研究特别有价值的技术是RABBITT(即通过双光子跃迁干涉重建阿秒跳动)。这个有前景的工具最初用于表征超短激光脉冲，作为赢得今年诺贝尔奖的研究工作的一部分，但此后它也被用来测量其他超快物理现象。

华东师范大学和贝尔法斯特女王大学的研究人员最近利用RABBITT技术来明确测量个人对光电离的贡献。他们的论文发表在《物理评论快报》上，介绍了一种进行阿秒物理研究的非常有前途的新方法。

“RABBITT技术本质上为电子过程提供了一个超快秒表，这样我们就可以测量(例如)原子中不同电子电离之间的时间延迟，”该论文的合著者安德鲁·C·布朗(AndrewC.Brown)告诉Phys。.org。

“然而，这些实验的困难之一是，当你有多个干扰过程时，情况就会变得更加复杂，我们无法再对各种机制的时间安排做出具体的断言。本质上，你也有变量很多，而方程数量不足以求解它们。

“小春和简实验的真正天才在于提供了更多的方程，或者更准确地说，更独特的测量，这使我们能够解开不同的机制。”

在他们的实验中，该项目的领导者晓春龚和吴建使用了两个激光脉冲，这是实施RABBITT技术时的标准做法。然而，他们改变了这些脉冲的偏振(即偏斜角)，以进一步控制他们收集的测量结果。

最初，研究人员着手解决不同发射角的光电离时间延迟问题。换句话说，他们希望确定电子在相对于激光场的不同方向发射时是否表现不同。然而，一旦他们开始检查实验中收集的数据，他们就意识到它所描绘的画面比他们预期的要复杂得多。

“我们目前的工作相对于我们之前的原子部分波计工作又向前迈出了一步，”龚说。“我们的梦想是将阿秒光电离测量推向部分波水平，这就是散射相移的原始定义。”

研究人员收集了氦气、氖气和氩气样品的测量结果。检查氦气很简单，因为它只包含两个电子，而且实际上只有一种方法可以将其电离，而氖气和氩气是复杂得多的系统。

“更准确地说，当你电离氦时，只有一种可能的残留离子态，”布朗说。“然而，对于氖气和氩气来说，情况要复杂得多。一方面，需要担心更多的电子，另一方面，存在多种残留离子态，所有这些都以某种(以前)未知的方式促成了“测量信号。我们解释/解释这一点的方式是考虑经典的‘杨氏双缝’实验，其中光在屏幕上‘测量’之前穿过两个孔径。”

在经典的杨氏双缝实验中，穿过两个孔径的光在屏幕上产生干涉图案。这是因为穿过每个孔径的波通过不同的路线到达同一位置，从而产生所谓的相长或相消干涉的“边缘”。

布朗说：“该实验的关键，以及它形成如此引人注目的隐喻的原因，尤其是对于量子理论学家来说，是你无法分辨光穿过哪条狭缝，因为这是无法测量的。”“你所能测量的只是干扰，而‘哪条路的信息’是无法获得的。”

在布朗、龚及其合作者进行的实验中，经典杨氏双缝实验中的两个孔径是氖中两种不同的残留离子态。相比之下，他们测量的干涉图案是两个倾斜的激光脉冲产生的光电子角分布。

“通过对两个不同的偏斜角进行测量，然后计算出电子到达某个最终状态可能采取的所有不同路径，然后我们可以求解方程，从而给出每个不同路径的振幅和相位，”布朗说。“换句话来说，我们弄清楚了电子通过哪条狭缝以及如何通过。”

大多数实验阿秒物理学研究都使用轻量级理论计算来解释他们的发现。然而，该项目需要更详细的模拟来解释起作用的复杂动态，并实质上为实验提供预测以供确认。

布朗说：“我们在实验中重建不同路径的方法具有坚实的理论基础，但动力学非常复杂，很难保证我们从实验中提取的数据是可靠的。”“我们使用带有时间依赖性(RMT)代码的R矩阵进行了模拟，该代码可以根据第一原理处理所有这些动态，并且从那里我们能够直接提取幅度和相位。”

当他们将实验结果与模拟结果进行比较时，他们发现它们非常吻合。这表明他们的实验确实测量了他们理论上声称的结果。

“总之，我们尝试使用激光场在中间d波上附加一个附加相位，”Gong说。“我们可以识别s波和d波，但我们可以扰乱它们的相位特性，观察它们最终的干涉特性。比如，我们可以打开盒子知道‘量子猫’是否还活着，但我们可以可以添加一些扰动并检查盒子是否有任何反应，其中反应必须来自于其中的猫的反应。”

研究人员将他们提出的实验方法视为“部分波计”，或者换句话说，一种可以有效测量个人对光电离作用的贡献的工具。值得注意的是，他们提出的方法基于两种不同的实验技术，即改变激光偏振和测量光电子和离子重合，这两种技术以前没有一起使用。

布朗说：“我们的工作将这些技术结合起来，使这种新的测量成为可能。”“这并不是说测量是简单的，但看到相同的技术组合在未来几年用于对超快动力学进行更有趣的测量也就不足为奇了。”

这项最新研究的另一个独特之处是用于验证团队实验结果的模拟。长期以来，科学家们一直试图使用理论模型来解释实验数据，但布朗、龚和他们的同事决定改用模拟。

布朗解释说：“RMT提供的结果不太直观，因为该模型远非简单。但是，通过包含所有有趣的多电子效应的描述并以通用方式进行操作，这样您就不会局限于特定的原子或特定的激光参数，我们实际上可以开始在这个领域进行实验，这是迄今为止三十年左右的原子科学中不可能实现的。”

该研究小组最近的工作为光电离的基本动力学提供了新的见解。虽然布朗、龚和他们的合作者主要关注这种现象的物理学，但未来他们的努力可能有助于确定利用光控制电子的新策略。这可以为超快电子电路和光伏技术(太阳能电池板)的发展提供信息，甚至可能有助于设计防止细胞辐射损伤的医疗工具。

“我们正在努力建立一个更全面的光电子高阶过程理论，”布朗说。“换句话来说，我们试图从理论上描述当你在这些RABBITT型实验中吸收多个(两个以上)光子时会发生什么。虽然我们有这个RMT代码可以模拟第一原理的动力学，但如果你想解释研究结果还需要一些相对简单的模型来解释不同的途径。”

在研究可以解释实验中收集的数据的理论模型的同时，研究人员计划继续以越来越高的强度进行实验和运行模拟。他们希望这将使他们能够进一步研究从少光子到多光子系统并最终到强场物理的转变。

“强场物理的发展与传统的散射理论相距甚远，存在很大差距。”龚补充道。“有必要建立一座中间桥梁，以提供从一个光子到多光子的软理解。”