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精密測量院等在分子“阿秒鐘”探測量子隧穿時間研究方面取得進展
發布時間：
2019-12-20
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近日，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院柳曉軍團隊與合作者提出了一種新穎的、完全基于離子碎片探測的分子阿秒角條紋（亦稱分子“阿秒鐘”）方案，并采用該方案首次對氫氣分子強場電離過程中的電子隧穿時間進行了精密測量，給出了該時間的上限為10阿秒（1阿秒=10-18秒）。相關工作發表在物理學雜志《物理評論快報》（physical Review Letters）上。
量子隧穿效應是指在微觀世界中，電子等微觀粒子能夠穿越高于自身能量位壘勢的“奇異”行為。量子隧穿效應是微觀粒子呈現出來的基本量子特性，無法用經典力學的觀點進行解釋。量子隧穿對理解眾多自然現象，如恒星核聚變、放射性衰變等起著至關重要的作用，同時也是掃描隧道顯微鏡等現代科學儀器的物理基礎。盡管如此，自量子力學建立以來，關于量子隧穿的一個基本問題，即它的發生是否需要時間卻飽受爭議。
強激光場中的原子分子為研究量子隧穿的阿秒時域特性提供了一種獨特的“人造隧穿”體系。原子分子的外層電子在強激光場作用下會通過隧穿電離方式逃逸出去，通過精密探測隧穿電子動力學行為，可以在阿秒時間尺度下探究量子隧穿是否需要時間（即隧穿時間）這一基本物理問題。為此，研究人員近年提出了一種行之有效的“阿秒鐘”方案，通過將隧穿時間轉化為隧穿電子發射角度的偏轉，從光電子譜中讀取隧穿時間信息。有意思的是，過去十多年來，不同研究小組基于“阿秒鐘”方案，結合不同原子體系開展研究得到的結論卻大相徑庭：隧穿電離或許瞬間發生，或許需花費百阿秒量級的時間。
圍繞研究領域存在的這一爭議，柳曉軍團隊及合作者提出了一種新穎的、基于離子碎片測量的分子“阿秒鐘”方案，將隧穿時間測量首次拓展到分子體系。在他們的方案中，一方面，通過巧妙利用分子強場電離伴生的碎解離子動量分布對驅動激光的偏振狀態進行原位測量，避免了傳統方案中因激光偏振方向標定對隧穿時間信息提取的可能影響；另一方面，通過光離子發射角度的偏轉讀取隧穿時間信息，避免了傳統“阿秒鐘”方案通過電子發射角偏轉讀取隧穿時間對物理模型的依賴。研究團隊將該方案應用于氫氣分子的強場隧穿電離研究，實驗測量到的光離子發射角度偏轉與第一性原理計算結果很好吻合，基于該測量方案得到的隧穿時間上限為10阿秒，這與前人基于氫原子隧穿電離研究得到的隧穿瞬間發生的結論一致。分子“阿秒鐘”方案可望拓展用于其他復雜分子體系，進一步研究如分子結構、分子軌道對稱性等復雜分子特性對強場隧穿電離過程的影響，進而深化對量子隧穿時間相關問題的認識。
該工作中，精密測量院研究員全威主導開展了實驗測量工作，俄羅斯薩爾托夫州立大學博士Serov與澳大利亞國立大學教授Kheifets開展了相應的理論計算工作；Kheifets與柳曉軍是該論文的共同通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃和中科院先導B專項的資助和支持。