beat365官方网站現代光學研究所、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心“極端光學創新研究團隊”劉運全教授和龔旗煌院士等人基于雙色光場驅動的強場電離過程構建了一種新型的“阿秒鐘”幹涉儀，為原子尺度上電子波函數的時空成像和整形提供了新方案。相關成果以“基于新型阿秒鐘幹涉儀實現電子波函數的時空成像與整形”（Spatiotemporal imaging and shaping of electron wave functions using novel attoclock interferometry）為題，于2024年1月在線發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。

強場電離作為光與物質相互作用最基本的過程之一，為原子尺度上研究電子的超快動力學提供了基礎。其中，基于圓偏振光場驅動的強場電離過程所構建的“阿秒鐘”（attoclock）技術，已經成為強場領域中電子超快動力學探測的強有力手段。然而，由于采用了少周期激光脈沖，阿秒鐘實驗中電子幹涉效應被抑制，因此，很難從實驗中獲取電子波函數的相位信息。如何實現對電子波函數幅度、相位的精确測量是理解強場電離過程、揭示勢壘下電子動力學的關鍵。

針對這一問題，劉運全教授課題組創新性地提出了一種新型的雙色阿秒鐘方案，實現了對電子波函數的時空成像與整形。課題組前期提出了“雙指針”阿秒鐘（double-pointer attoclock）系列研究[Phys. Rev. let. 119，073201(2018)， Phys. Rev. Lett. 122, 013201(2019)，Phys. Rev. Lett. 126. 223001(2021)]。與前期“雙指針”阿秒鐘方案不同，該實驗方案采用強圓偏振（真空紫外激光脈沖）和弱線偏振（近紅外激光脈沖）組合的雙色激光場，其中強的400nm圓偏光電離原子，構建單色阿秒鐘（如圖1a所示）。由于使用了多周期圓偏脈沖，對于電離時刻相差整數個400nm周期的電子，它們将在特定角度上發生幹涉，此時阿秒鐘可以看作一種角度分辨的時域雙縫幹涉儀，并且每個角度都對應一種特定空間取向的勢壘，典型的電子動量分布如圖1b所示。

随後，時間同步施加一束弱的800nm線偏振光場，對原子勢壘進行時空調控，如圖1c所示。當固定雙色場的相位，雙色光場的偏振組态随電離時刻（角度）發生變化，這意味着勢壘的空間特性發生改變。另一方面，當固定電子的發射角時，勢壘的空間取向不變。若改變雙色光場的相對相位，相當于在時域上調控勢壘，勢壘的時空擾動将引起出射電子波包幅度和相位的改變，而這種變化将最終映射到電子的幹涉譜上。原理上，通過分析角度分辨以及相位分辨的電子幹涉譜，可以分辨出勢壘的時空變化對電子波函數以及電離過程的影響。

圖1 a. 400nm圓偏場構建的阿秒鐘幹涉儀；b. 實驗測量的400nm圓偏場中的電子動量分布；c. 雙色阿秒鐘構型下角度（時間）分辨和相位分辨的光場組态，圖中下半部分展示了平行組态和垂直組态下勢壘的時空變化；d. 雙色場相位積分的電子動量分布。

圖2a-d展示了實驗測得的不同角度下相位分辨的光電子能譜，可以看到不同角度下的電子幹涉結構随雙色場相位發生着不同的演化，反映了雙色阿秒鐘的時空特性。這種時空變化可以很好地被強場近似模型再現(圖2e-h)。進一步理論分析發現，雙色阿秒鐘構型下電子的幹涉圖案，可類比于傳統的光學多光束幹涉，因此可使用傅裡葉變換法對其進行分析，進而提取出電子波函數的幅度和相位信息。

圖2 a-d 實驗測量的不同角度下相位分辨的光電子能譜；e-h 強場近似計算結果。

圖3展示了平行光場組态下，即縱向調控原子勢壘時，電子波函數的幅度和相位随時間的演化。通過分析不同角度下相位分辨的光電子的能譜，可獲得不同光場組态下的電子波函數含時演化，從而實現對雙色阿秒鐘構型下電離過程的全面刻畫。該研究揭示了勢壘的時空變化對電離過程以及電子波函數的影響，這種新型的阿秒鐘幹涉儀為強激光與物質相互作用過程中電子波函數的時空成像與整形提供了新方案，并有望運用到複雜分子、固體以及液體中的電子超快動力學的探測。

圖3 a, b 從強場近似計算中提取的電子波包幅度和相位的含時演化；c, d 從實驗測量的電子幹涉譜中提取的電子波包幅度和相位的含時演化。

beat365官方网站博雅博士後葛佩佩（現為華中科技大學beat365副教授）為論文第一作者，劉運全教授為通訊作者。研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、極端光學協同創新中心、beat365長三角光電科學研究院等支持。

原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-44775-5