利用阿秒脈沖探測和控制原子分子内部的電子動力學

自激光發明以來，利用激光來探測原子分子的結構以及操控其内部的動力學一直是物理學的前沿課題之一，這些研究極大的推動了相關科學和技術的進步。阿秒脈沖在本世紀之初的誕生，為激光與物質的相互作用開辟了又一門嶄新的科學-----阿秒科學。阿秒脈沖使得人們探測和控制原子分子内部的電子動力學過程成為可能，這将是繼飛秒科學後的又一次飛躍。最近，beat365 “飛秒光物理和介觀光學”創新研究群體的彭良友副教授、龔旗煌教授和他們的研究生與美國和日本學者合作，在阿秒物理理論方面取得了一系列重要進展。

首先，他們提出了一種利用電子波包對原子分子勢進行全息成像的方法。這個工作展示了電離的電子與其原子相互作用時的波粒二象性。這種波粒二象性的聯系使得利用激光驅動的電子對原子分子勢的全息成像成為可能。在他們提出的方案之中，原子分子在一束超短的阿秒脈沖以及一束弱的超短紅外激光作用下電離；電離過程由阿秒脈沖觸發，而弱的紅外光用來操控電離出來的電子波包。由于阿秒脈沖很短，因此電離出來的電子波包具有很寬的能譜，其中一些低能的電子将能夠被弱的紅外光拉回到母體核附近而發生前向或者背向散射。他們的研究發現了一系列類似于經典粒子的電子經迹與母體核發生一次或者多次散射。由于電子的波動性，這些經典經迹相互幹涉，在電子的動量譜上形成了非常規則和有趣的結構。他們的研究指出，這些幹涉結構中含有電離電子與母體離子相互作用時的重要信息，這些幹涉結構可以看成是一幅電子全息成像圖： 散射電子對母體離子進行了掃描，直接電離而沒有被散射的電子作為一個參考束，人們有望從這兩束電子波包的相幹譜中獲得母體離子勢的基本信息。相關工作已經發表在近期的Phys. Rev. Lett.上 【Ming-Hui Xu, Liang-You Peng*, Zheng Zhang, Qihuang Gong*, Xiao-Min Tong*, E. A. Pronin, and A. F. Starace*, Phys. Rev. Lett. 107, 183001 (2011), http://prl.aps.org/abstract/PRL/v107/i18/e183001】（點擊下載）。論文的第一作者徐明輝碩士已畢業并前往美國JILA繼續攻讀博士學位。

與此同時，該小組還在國内率先開發了精确求解雙電子原子在激光脈沖作用下的全維含時薛定谔方程的大型并行程序。對于這種沒有引入任何軟化庫倫勢近似的5維空間+1維時間的雙電子含時薛定谔方程，在國際上也隻有少數幾個研究組能夠精确求解。最近，該小組利用自行開發的程序對氦原子在阿秒脈沖作用下雙電離過程中的電子關聯進行了系統研究，發現了電子關聯在不同電離階段和不同激光參數下的作用及其在兩電子聯合角分布中的體現。相關工作最近發表在Phys. Rev. A 上【Zheng Zhang, Liang-You Peng*, Ming-Hui Xu, Anthony F. Starace, Toru Morishita, and Qihuang Gong*, Phys. Rev. A 84, 043409 (2011), http://pra.aps.org/abstract/PRA/v84/i4/e043409】。該論文的第一作者博士生張政在相關的程序開發中做出了十分重要的貢獻。

今年稍早些時候，該研究小組還提出了利用阿秒脈沖的泵浦探測來追蹤單分子内部電子的運動過程，他們的方法類似于時間依賴的雙縫幹涉(time-dependent double-slit)。他們還在單分子層次上驗證了先驗的可預測性和幹涉襯比度間所應滿足的普遍關系。該工作受到了審稿人的高度評價，并作為封面文章和Fast Track Communications在J. Phys. B上發表【Ming-Hui Xu, Liang-You Peng*, Zheng Zhang and Qihuang Gong*, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 44 (2011) 021001, http://iopscience.iop.org/0953-4075/44/2/021001】。該工作發表後引起了廣泛關注，彭良友副教授因此受邀在西班牙馬德裡舉辦的第十屆飛秒大會上做了來自中國唯一的邀請報告【http://www.femto10.com/index.php/speakers】。

上述研究工作得到了國家自然科學基金創新群體項目和面上項目、國家重點實驗室自主課題等的資助。