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科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)阿秒電離精密測量 有望為探索復(fù)雜體系中阿秒光電子動(dòng)力學(xué)開辟新途徑
阿秒時(shí)間分辨的電子空間輻射不對稱性示意。受訪者供圖
如何實(shí)現(xiàn)電子本征運(yùn)動(dòng)時(shí)間尺度超快精密測量，是阿秒（1阿秒= 10-18秒）超快科學(xué)的一個(gè)核心問題。1月4日，華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授吳健團(tuán)隊(duì)在《物理評論X》（Physical Review X）在線發(fā)表論文，研究人員借助一氧化氮分子形狀共振電離過程，首次報(bào)道了阿秒時(shí)間尺度上分子空間不對稱性電離。
傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，電子的電離過程是瞬時(shí)的，是在“一瞬間”從束縛態(tài)躍遷至連續(xù)態(tài)，成為自由電子。隨著對電子散射、電子電離本質(zhì)的深入理解，以及超快光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是新型阿秒光脈沖技術(shù)的發(fā)展，研究人員逐漸認(rèn)識(shí)到光致電離并不是一個(gè)瞬時(shí)過程，電子需要數(shù)阿秒乃至數(shù)百阿秒的時(shí)間穿越原子或分子的庫倫勢場。其超快的時(shí)間尺度概念等同于一秒對比宇宙的壽命。而電子離開母核所花費(fèi)的準(zhǔn)確時(shí)間是與它感受的、經(jīng)歷的勢場的強(qiáng)弱、形狀息息相關(guān)。
“阿秒超快科學(xué)屬于多學(xué)科交叉領(lǐng)域，覆蓋物理、化學(xué)、生物、材料等，對探究新型光電功能材料物理機(jī)制，制備拍赫茲光子器件，實(shí)現(xiàn)材料屬性、物質(zhì)相變、分子結(jié)構(gòu)變化精密測量，具有十分重要的科學(xué)意義。”吳健告訴《中國科學(xué)報(bào)》。
2017年，該實(shí)驗(yàn)室研究員宮曉春首次在強(qiáng)場氬原子多光子弗瑞曼共振電離圖像中觀測到電子百阿秒共振電離延遲，并終成功建造出國內(nèi)首臺(tái)極紫外阿秒符合干涉儀。基于該系統(tǒng)，吳健團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)“光電子電離空間不對稱性”這一核心問題，利用雙光子干涉的阿秒拍頻重構(gòu)探測方法得到的光電子電離干涉能譜，并從中提取出電離過程中原子核與電子之間庫倫相互作用產(chǎn)生的電離時(shí)間延遲。進(jìn)一步通過軸向反沖近似處理，實(shí)現(xiàn)了分子坐標(biāo)系內(nèi)對不同排列方向上的能量、角度分辨的光電子電離延時(shí)精密測量，成功觀測到150 阿秒的相對電離延時(shí)。
宮曉春結(jié)合量子散射模型下的“單中心”理論模型，證明實(shí)驗(yàn)觀測的形狀共振由一種分波的準(zhǔn)束縛態(tài)產(chǎn)生，且實(shí)驗(yàn)中觀測到的電離延時(shí)來自于光電子出射過程中離心勢壘導(dǎo)致的共振電離路徑與非共振電離路徑間的干涉。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)室研究員倪宏程發(fā)展的 “雙中心”理論模型，佐證了電離初態(tài)和末態(tài)非對稱性對電子電離空間不對稱性起著重要的誘導(dǎo)作用。
“利用阿秒—亞納米超高時(shí)空分辨符合成像技術(shù)發(fā)展的新型阿秒鐘，適用于具有不對稱勢阱的其他分子和表界面的共振光電子輻射行為的精密測量。”吳健說，“有望為探索復(fù)雜體系中的阿秒光電子動(dòng)力學(xué)，研究溶液、復(fù)雜材料和生物組織中的時(shí)間分辨量子動(dòng)力學(xué)開辟一條新途徑。”
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevX.12.011002
