精密测量院在阿秒电子动力学探测方面取得新进展

2024-07-10 17:19

近日，精密测量院柳晓军研究团队在阿秒物理领域取得重要研究进展。团队提出了一种名为“偏振门阿秒钟”的新方案，实现了对强激光驱动原子电离中电子关联动力学的超快探测。相关成果发表在物理学权威期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，同时被遴选为编辑推荐文章（Editors＇ Suggestion）。

在阿秒时间尺度上揭示物质内部电子动力学规律，是认识和理解自然界诸多超快光物理和光化学过程的重要物理基础。为此，2023年诺贝尔物理学奖被授予在阿秒物理研究领域做出杰出贡献的三位科学家。在众多阿秒测量谱学技术中，阿秒角度条纹技术（亦称“阿秒钟”）因其自参考特性——无需使用阿秒光脉冲，仅利用飞秒激光脉冲即可实现阿秒量级时间分辨率的测量，为深入探究阿秒电子动力学过程提供了独特手段。“阿秒钟”技术已成功应用于强场电子隧穿时间、顺序双电离中两电子电离时间延迟等测量中，然而，传统的“阿秒钟”技术受限于所采用的椭圆偏振光脉冲，尚无法直接应用于如电子－电子关联等更复杂物理过程的研究。

为了克服这一难题，柳晓军研究团队提出了一种基于“偏振门”激光脉冲的“阿秒钟”方案，并成功将其运用于强场原子双电离过程中电子－电子关联动力学的实时探测。研究团队基于前期建立并发展的载波包络相位稳定的少周期飞秒激光系统，通过精密控制两束左旋和右旋圆偏振少周期激光脉冲的时间延迟与载波包络相位，成功合成“偏振门”超短光脉冲，实现了激光脉冲椭圆偏振状态在阿秒时间精度上的精确可控。相比以往“阿秒钟”技术普遍采用的单一椭圆偏振光脉冲，“偏振门”超短脉冲不仅能够在其中心近线偏振区域内有效制备电子关联态并驱动电子关联发射，还保留了阿秒角度条纹高精度采样电子发射时间的特性。研究团队以氩原子强场双电离过程为例，通过研究其产生的双激发态的关联电子发射时间差，成功演示了“偏振门阿秒钟”技术。研究表明，处于双激发态的两个关联电子的电离主要通过两种不同的通道进行，“偏振门阿秒钟”技术精确地测出了不同通道对应的两个关联电子的电离时间差，分别为234（±22）阿秒和1043（±73）阿秒。电子关联是影响从简单原子到复杂分子、凝聚态物质乃至量子材料等体系基本性质和动态行为的关键因素，“偏振门阿秒钟”的实现，为利用超快激光探究原子、分子、凝聚态体系内部复杂电子超快动力学行为提供了新的有效技术途径。

“偏振门阿秒钟”探测电子关联动力学示意图

相关研究以“Timing Correlated－Electron Emission from Strong Field Atomic Double Ionization with Polarization－Gated Attoclock”为题发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。精密测量院副研究员王艳兰和余少刚为论文共同第一作者，研究员柳晓军为通讯作者。

该工作得到了科技部、基金委、中国科学院等机构的资助。