近日，深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院和量子精密測量研究所姜維超副教授課題組、北京大學(xué)彭良友教授課題組聯(lián)合奧地利維也納技術(shù)大學(xué)Joachim Burgd?rfer教授課題組以“Time Delays as Attosecond Probe of Interelectronic Coherence and Entanglement”為題在Physical Review Letters雜志上發(fā)表最新理論研究成果，研究首次揭示了氦原子在強(qiáng)阿秒激光脈沖下的電離延時機(jī)制。
2023年諾貝爾物理學(xué)獎授予了美國俄亥俄州立大學(xué)的Pierre Agostini、德國馬普學(xué)會量子光學(xué)研究所和慕尼黑大學(xué)的Ferenc Krausz、瑞典隆德大學(xué)的Anne L’Huillier，以表彰他們“開發(fā)了阿秒光脈沖的實(shí)驗方法，以研究物質(zhì)中的電子動力學(xué)”。阿秒脈沖的一個重要應(yīng)用是確定光電離的“時間零點(diǎn)”，即電離電子的波包離開離子核的時間延遲。這一過程對于理解原子和分子在強(qiáng)激光場中的行為至關(guān)重要。傳統(tǒng)的實(shí)驗技術(shù)難以捕捉到如此短暫的時間延遲，但近年來，阿秒條紋相機(jī)(attosecond streaking)和通過雙光子躍遷干涉（RABBIT）技術(shù)的出現(xiàn)，使得觀察阿秒量級的電離延時成為可能。受限于現(xiàn)有的阿秒脈沖的強(qiáng)度，目前的實(shí)驗測量主要針對一階微擾電離過程。
圖1：直接電離通道（DSI）與激發(fā)電離通道（EI）的阿秒條紋譜。
研究團(tuán)隊通過數(shù)值精確求解含時薛定諤方程的方法，對氦原子在強(qiáng)阿秒脈沖下非微擾區(qū)域的電離延時以及阿秒條紋相機(jī)譜進(jìn)行了理論研究。他們將阿秒脈沖的光子能量限定在40 eV。當(dāng)阿秒脈沖的強(qiáng)度足夠高時，阿秒脈沖可以在He+的基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間誘導(dǎo)出拉比振蕩，從而從He原子中發(fā)射兩種單電離雙電子波包。這兩種單電離雙電子波包對應(yīng)的自由電子具有相近的能量，而其對應(yīng)的束縛態(tài)電子則分別處于He+的基態(tài)（直接電離通道）和第一激發(fā)態(tài)（激發(fā)電離通道）。理論研究發(fā)現(xiàn)，兩個電離通道產(chǎn)生的光電子的電離延時差異很大，且均對阿秒脈沖的強(qiáng)度和長度十分敏感。傳統(tǒng)在線性微擾區(qū)域建立的電離延時圖像不再適用。為了解析這種有趣且復(fù)雜的非線性電離延時，研究團(tuán)隊構(gòu)建了“條件雙電子（CTE）”模型，直觀呈現(xiàn)了光電子的電離延時如何受到He+束縛態(tài)電子的拉比振蕩的調(diào)制。CTE模型給出的半解析電離延時結(jié)果與數(shù)值求解含時薛定諤方程得到的電離延時結(jié)果完美相符。
根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗測量技術(shù)，同時測量自由電子的動能與束縛電子所處的能級尚有不小的難度。當(dāng)實(shí)驗測量不去區(qū)分直接電離通道與激發(fā)電離通道時，實(shí)驗實(shí)際測量的是兩種電離通道非相干疊加的結(jié)果。光強(qiáng)較低時，實(shí)驗測量到的光電離延時反映直接電離通道的電離延時。隨著光強(qiáng)的增強(qiáng)，實(shí)驗測量到的電離延時來自兩種電離通道的共同貢獻(xiàn)。研究團(tuán)隊將實(shí)驗測量電離延時與光強(qiáng)的依賴關(guān)系與光電子波包“純度”與光強(qiáng)的依賴關(guān)系作了對比，發(fā)現(xiàn)二者高度相關(guān)。因此，光電離延時可以在一定程度上反映該多體系統(tǒng)的糾纏度的演化。
該研究于2024年10月15號發(fā)表于Physical Review Letters，深圳大學(xué)為第一單位，深圳大學(xué)姜維超副教授為論文第一兼共同通訊作者。北京大學(xué)教授、深圳大學(xué)訪問教授彭良友為論文共同通訊作者。維也納技術(shù)大學(xué)教授、深圳大學(xué)名譽(yù)教授Joachim Burgd?rfer為論文合作者。論文作者還包括深圳大學(xué)碩士生鐘銘宸、北京大學(xué)博士生方永康、維也納技術(shù)大學(xué)Iva Brezinová教授和Stefan Donsa博士。
DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.163201
