阿秒物理学领域成立的使命是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能够对原子和分子中电荷载流子的量子动力学提供新的见解。
事实证明，在该领域进行研究特别有价值的技术是 RABBITT。这种有前途的工具最初用于表征超短激光脉冲，作为今年获得诺贝尔奖的研究工作的一部分，但此后它也被用于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技术来明确测量光电离中的个体贡献。他们的论文发布在《物理评论快报》上，介绍了一种非常有前途的进行阿秒物理研究的新方法。
“RABBITT技术本质上为电子过程提供了一个超快秒表，因此我们可以测量原子中不同电子电离之间的时间延迟，”该论文的合著者Andrew C. 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，情况会变得更加复杂，我们无法再对各种机制的时间做出具体的主张。从本质上讲，你有太多的变量，而没有足够的方程来求解它们。
“小春和健的实验真正的天才在于提供更多的方程，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，领导该项目的作者龚晓春和吴健使用了两个激光脉冲，这是实现RABBITT技术的标准做法。然而，他们改变了这些脉冲的偏振，以进一步控制它们收集的测量值。
最初，研究人员着手解决不同发射角度的光电离时间延迟问题。换句话说，他们希望确定当电子相对于激光场以不同的方向发射时，它的行为是否不同。然而，一旦他们开始检查实验中收集的数据，他们意识到它描绘了一幅比他们预期的要复杂得多的画面。
“我们目前的工作也是我们以前的原子分波计工作向前迈出的一步，”龚说。“我们的梦想是将阿秒光电离测量推向部分波级，这是散射相移的原始定义。”
研究人员收集了对氦气、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使它电离，而氖和氩气是更复杂的系统。
“更准确地说，当你电离氦气时，只有一种可能的残余离子状态，”布朗说。“然而，对于氖气和氩气来说，事情要复杂得多。一方面，有更多的电子需要担心，另一方面，有多种残余离子状态，所有这些离子状态都以某种未知的方式对测量信号做出贡献。我们解释/解释这一点的方式是想想经典的'杨氏双缝'实验，其中光线在屏幕上被'测量'之前通过两个孔径。
在经典的杨氏双缝实验中，通过两个孔径的光线在屏幕上产生干涉图案。这是因为通过每个孔径的波通过不同的路径到达同一位置，从而产生所谓的建设性或破坏性干涉的“边缘”。
“这个实验的关键，以及它形成如此引人注目的隐喻的原因，特别是对于量子理论家来说，是你无法分辨光穿过哪个狭缝，因为这是无法测量的，”布朗说。“你所能测量的只是干扰，而'哪个方向的信息'是无法访问的。
在Brown，Gong及其合作者进行的实验中，经典Young双缝实验中的两个孔是氖中的两种不同的残余离子状态。相比之下，他们测量的干涉图案是由两个偏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，然后计算出电子可能采取的所有不同路径以达到某种最终状态，然后我们可以求解方程，为我们提供每个不同路径的振幅和相位，”布朗说。“换句话说，我们弄清楚了电子通过哪个狭缝，以及如何通过。
实验阿秒物理学中的大多数研究都使用轻量级的理论计算来解释事后的发现。然而，这个项目需要更详细的模拟来解释复杂的动力学，并从本质上为实验提供预测以确认。
“我们用来重建实验中不同途径的方法具有坚实的理论基础，但动力学非常复杂，以至于很难证明我们从实验中提取的数字是可靠的，”布朗说。“我们使用具有时间依赖性代码的 R 矩阵进行了仿真，该代码可以从第一性原理处理所有这些动力学，并且能够从那里直接提取振幅和相位。”
当他们将实验结果与模拟结果进行比较时，他们发现它们非常一致。这表明他们的实验确实测量了他们在理论上声称的效果。
“总而言之，我们尝试使用激光场将一个额外的相位附加到中间d波上，”Gong说。“我们可以识别s波和d波，但我们可以干扰它们的相位特性并观察它们的最终干涉特性。例如，我们可以打开盒子来知道'量子猫'是否还活着，但我们可以添加一些扰动并检查盒子是否有任何反应，其中反应是猫的反应的必要条件。
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，一种可以有效测量光电离中个体贡献的工具。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，这两者以前没有一起使用。
“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，”布朗说。“这并不是说测量无论如何都是直截了当的，但是在未来几年里，看到相同的技术组合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方面是用于验证团队实验结果的模拟。很长一段时间以来，科学家们一直试图使用理论模型来解释实验数据，但Brown，Gong和他们的同事决定使用模拟来代替。
“RMT提供的结果不太直观，因为模型远非简单，”Brown解释说。然而，通过描述所有有趣的多电子效应，并以一种一般的方式做到这一点，这样你就不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领导这个领域的实验，这是迄今为止三十年左右的attoscience所不可能实现的。
这组研究人员最近的工作为光电离的基本动力学提供了新的见解。虽然Brown，Gong和他们的合作者主要关注这种现象的物理学，但在未来，他们的努力可能有助于确定使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的发展提供信息，甚至可能有助于设计防止辐射损伤细胞的医疗工具。
“我们正在努力建立一个更全面的光发射高阶过程理论，”布朗说。“换句话说，我们试图从理论上描述当你在这些RABBITT型实验中吸收多个光子时会发生什么。虽然我们有这个RMT代码，可以模拟第一性原理的动力学，但如果你想解释这些发现，你还需要一些相对简单的模型来解释不同的途径。
在研究一个可以解释实验中收集的数据的理论模型的同时，研究人员计划继续进行实验，并在越来越高的强度范围内进行模拟。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的转变，并最终转向强场物理学。
“强场物理的发展远离了传统的散射理论，它们之间存在很大的差距，”龚补充道。“有必要建造一个中间桥梁，以提供从一光子到多光子的软理解。
