阿秒物理学领域的建立是为了在前所未有的时间分辨率下探索光与物质的相互作用。这一领域的最新进展使物理学家对原子和分子中载流子的量子动力学有了新的认识
RABBITT(即通过双光子跃迁干涉重建阿秒跳动)技术已被证明在这一领域进行研究特别有价值。这个很有前途的工具最初被用来表征超短激光脉冲，作为获得今年诺贝尔奖的研究工作的一部分，但它也被用来测量其他超快物理现象。
华东师范大学和贝尔法斯特女王大学的研究人员最近在RABBITT技术的基础上，明确地测量了光电离中的个体贡献。他们的论文发表在《物理评论快报》上，介绍了一种非常有前途的进行阿秒物理研究的新方法。
“RABBITT技术本质上为电子过程提供了一个超快的秒表，这样我们就可以测量(例如)一个原子中不同电子电离之间的时间延迟，”该论文的合著者安德鲁·c·布朗告诉Phys.org。
“然而，这些实验的困难之一是，当你有多个相互干扰的过程时，情况会变得更加复杂，我们再也不能对各种机制的时间做出具体的声明。”本质上，你有太多的变量，而没有足够多的方程来求解它们。
“小春和简的实验真正的天才之处在于提供了更多的方程，或者更准确地说，更独特的测量方法，这使我们能够解开不同的机制。”
在他们的实验中，领导该项目的作者龚晓春和吴健使用了两个激光脉冲，这是实施RABBITT技术时的标准做法。然而，他们改变了这些脉冲的偏振(即倾斜角度)，以进一步控制他们收集的测量结果。
最初，研究人员着手解决不同发射角度下光电离的时间延迟问题。换句话说，他们希望确定当电子相对于激光场向不同方向发射时，它的行为是否不同。然而，一旦他们开始检查在实验中收集的数据，他们就意识到，它描绘的画面比他们预期的要复杂得多。
龚说:“我们目前的工作也比之前的原子部分波计工作向前迈出了一步。”“我们的梦想是将阿秒光电离测量推向部分波水平，这是散射相移的原始定义。”
研究人员收集了他们对氦、氖和氩样品的测量结果。检查氦很简单，因为它只包含两个电子，而且只有一种电离它的方法，而氖和氩是更复杂的系统。
“更准确地说，当你电离氦时，只有一种可能的剩余离子状态，”布朗说。“然而，对于氖和氩来说，事情要复杂得多。一方面，有更多的电子需要担心，另一方面，有多个剩余离子态，所有这些都以某种(以前)未知的方式贡献给测量信号。我们解释的方式是想到经典的‘杨氏双缝’实验，其中光通过两个孔，然后在屏幕上被‘测量’。”
在经典的杨氏双缝实验中，光通过两个孔在屏幕上产生干涉图样。这是因为通过每个孔径的波通过不同的路径到达同一位置，导致所谓的“条纹”的相和相消干涉。
布朗说:“这个实验的关键，以及它形成如此引人注目的比喻的原因，特别是对量子理论家来说，是你无法告诉光穿过哪个狭缝，因为这是无法测量的。”“你所能测量的只是干扰，以及无法获得的‘方向信息’。”
在Brown、Gong和他们的合作者进行的实验中，经典杨氏双缝实验中的两个孔是氖中两个不同的剩余离子态。相反，他们测量的干涉图案是由两个偏斜激光脉冲产生的光电子角分布。
布朗说:“通过测量两种不同的倾斜角度，然后计算出电子到达某种最终状态的所有不同路径，我们就可以解出方程，从而得到每种不同路径的振幅和相位。”“换句话说，我们算出了电子穿过的缝隙，以及如何穿过的。”
大多数实验阿秒物理学的研究都使用轻量级的理论计算来解释他们的发现。然而，这个项目需要更详细的模拟来解释复杂的动力学，从本质上讲，为实验提供一个预测来确认。
布朗说:“我们在实验中用来重建不同路径的方法有坚实的理论基础，但动力学是如此复杂，以至于很难做出一个无懈可击的案例，证明我们从实验中提取的数字是可靠的。”“我们使用具有时间依赖性(RMT)代码的r矩阵进行了模拟，该代码可以从第一原理处理所有这些动态，并且从那里我们能够直接提取振幅和相位。”
当他们将实验结果与模拟结果进行比较时，他们发现它们是紧密一致的。这表明他们的实验确实测量了他们理论上声称的结果。
“总之，我们尝试使用激光场在中间d波上附加一个额外的相位，”龚说。“我们可以识别s波和d波，但我们可以干扰它们的相位特性并观察它们的最终干涉特性。例如，我们可以打开盒子来知道‘量子猫’是否活着，但我们可以添加一些扰动，检查盒子是否有任何反应，其中反应必须来自其中的猫的反应。”
研究人员将他们提出的实验方法视为“部分波计”，或者换句话说，是一种可以有效测量光电离中个体贡献的工具。值得注意的是，他们提出的方法是基于两种不同的实验技术，即改变激光偏振和测量光电子和离子的巧合，这是以前没有一起使用过的。
布朗说:“我们的工作结合了这些技术，使这种新的测量方法成为可能。”“这并不是说测量方法很简单，但在未来几年里，同样的技术组合用于对超快动力学进行更有趣的测量，这并不令人惊讶。”
这项最新研究的另一个独特方面是用于验证团队实验结果的模拟。长期以来，科学家们一直试图用理论模型来解释实验数据，但布朗、龚和他们的同事决定用模拟来代替。
布朗解释说:“RMT提供的结果不太直观，因为模型远非简单。“然而，通过包括所有有趣的多电子效应的描述，并以一种一般的方式进行，这样你就不局限于特定的原子或特定的激光参数，我们实际上可以开始在这个领域进行实验，这在30年左右的时间里是不可能的。”
这组研究人员最近的工作为光电离的基本动力学提供了新的见解。虽然布朗、龚和他们的合作者主要关注的是这种现象的物理性质，但在未来，他们的努力可能有助于确定利用光控制电子的新策略。这可以为超高速电子电路和光伏技术(太阳能电池板)的发展提供信息，或者甚至可以帮助设计防止辐射损伤细胞的医疗工具。
布朗说:“我们正致力于建立一个更全面的光发射高阶过程理论。”“换句话说，我们正试图从理论上描述当你在这些rabbitt类型的实验中吸收多个(两个以上)光子时会发生什么。虽然我们有这个RMT代码可以从第一原理模拟动力学，但如果你想解释这些发现，你还需要一些相对简单的模型来解释不同的途径。”
在研究一个可以解释实验中收集到的数据的理论模型的同时，研究人员计划继续在越来越高的强度下进行实验和运行模拟。他们希望这将允许他们进一步研究从少光子到多光子系统的转变，并最终研究强场物理。
龚补充说:“强场物理的发展远离了传统的散射理论，它们之间存在着很大的差距。”“有必要建立一个中间桥梁，以提供从一个光子到多光子的软理解。”
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