我們很早就知道，一定強(qiáng)度的激光脈沖產(chǎn)生的能量可以使電子從其圍繞著原子快速旋轉(zhuǎn)的軌道上逃逸，即離子化。
美國(guó)內(nèi)布拉斯加林肯大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)證明，電子離開氦原子的角度取決于激光脈沖電場(chǎng)是左旋電場(chǎng)還是右旋電場(chǎng)，即它是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)還是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。研究人員還計(jì)算了這兩種情況下電子逃逸角度的不同范圍。
研究人員將此效應(yīng)稱為“非線性二色性”（nonlineardichroism），他們進(jìn)一步證明該效應(yīng)僅當(dāng)原子受到一束超快的強(qiáng)烈激光脈沖照射并且其電場(chǎng)為橢圓形時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。
這項(xiàng)研究成果發(fā)表于11月26日的《物理評(píng)論快報(bào)》雜志（Phys.Rev.Lett.,DOI:10.1103/PhysRevLett.113.223002）。文章特別指出，能產(chǎn)生這一效應(yīng)的激光脈沖持續(xù)時(shí)間不超過2×10-16秒。以2×10-16秒的時(shí)間間隔從0數(shù)至1秒，需要花上約1.585億年，這比地球從侏羅紀(jì)進(jìn)化至今的時(shí)間還要長(zhǎng)。
“激光原子物理學(xué)的目標(biāo)就是控制電子運(yùn)動(dòng)并成像。”本文的共同作者、物理學(xué)教授AnthonyStaraces說道，“為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們需要時(shí)間尺度比電子運(yùn)動(dòng)還要快的探針。”
Starace同時(shí)注意到，超快激光脈沖與其引起的量子尺度相互作用會(huì)使許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果的機(jī)理變得難以理解。
“整個(gè)過程在如此短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，實(shí)驗(yàn)者往往也不知道自己得到的結(jié)果是什么。”Starace說道，“他們無法觀測(cè)到電子如何引發(fā)原子及分子躍遷。因此，他們需要清楚如何觀測(cè)，如何得到正確的觀測(cè)結(jié)果。”
Starace說道，此項(xiàng)工作有助于激光物理學(xué)家了解這些普遍存在的基本問題。
“超快激光脈沖現(xiàn)已用于電子過程的計(jì)時(shí)。”Starace說道，“日常生活中我們一般使用分鐘作為時(shí)間尺度，而電子運(yùn)動(dòng)往往在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生。但到底是10-17秒、10-16秒還是10-15秒，我們無從得知。如果我們能夠了解，就可以從理論上真正弄清楚電子躍遷的具體經(jīng)過。”
Starace說道，通過識(shí)別和測(cè)量非線性二色性，我們的研究可以使量子物理學(xué)家更好地描述實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的激光并驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
“實(shí)驗(yàn)者通過測(cè)量這一新效應(yīng)，就會(huì)知道激光脈沖的持續(xù)時(shí)間、脈沖的極性以及產(chǎn)生的電場(chǎng)形狀等問題。”Starace說道，“這些都可以表征激光脈沖特點(diǎn)。”
Starace說，本研究表明人們朝著激光物理學(xué)的最終目標(biāo)更進(jìn)一步，即操控宇宙中物質(zhì)最基本的構(gòu)成部分。
“如果實(shí)驗(yàn)最終可以產(chǎn)生這一脈沖，該新效應(yīng)可使實(shí)驗(yàn)者能夠操作電子的運(yùn)動(dòng)方式。”Starace說道，“如果使用10-18級(jí)這種具有特殊極化率的激光脈沖去轟擊一個(gè)目標(biāo)，我們可以識(shí)別電子的運(yùn)動(dòng)方式。這就是人們的夢(mèng)想——不僅僅是觀察，而且要實(shí)際操控電子的運(yùn)動(dòng)。”
JeanMarcelNgokoDjiokap，物理學(xué)助理教授，在本次研究中負(fù)責(zé)編寫受激光影響的電子相互作用以及多維電場(chǎng)中電場(chǎng)復(fù)雜度的程序代碼。
“通常情況下，理論上電場(chǎng)只在一個(gè)方向上振蕩，這降低了計(jì)算的難度。”Starace說道，“當(dāng)極化為橢圓形時(shí)，電場(chǎng)在一個(gè)平面內(nèi)自轉(zhuǎn)。這進(jìn)一步增加了問題的難度，也大大增加了計(jì)算量和計(jì)算難度，但Marcel很好地解決了這個(gè)問題。”
Starace將該團(tuán)隊(duì)的計(jì)算方法比作去坐一個(gè)由激光脈沖產(chǎn)生的電場(chǎng)這一橢圓形旋轉(zhuǎn)木馬。他還說道，從這一角度切入并進(jìn)行計(jì)算而不是從外部靜止的觀測(cè)可以簡(jiǎn)化這一問題。
“如果一個(gè)人坐在旋轉(zhuǎn)木馬上，線外的人們看到他在轉(zhuǎn)動(dòng)，而他相對(duì)于木馬是靜止的。”Starace說道，“Marcel的工作就是將實(shí)驗(yàn)室框架下的計(jì)算平移到此旋轉(zhuǎn)框架內(nèi)，所以我們觀測(cè)的都是線性極化的一維光。那么所有的問題都迎刃而解了。”
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