鑽石舞台

激光引起的原子和分子電子云畸變是造成物質各種非線性現象的內在原因。探測激光引起的束縛電子動力學過程對於理解物質非線性過程的性質至關重要。在超強極紫外激光中，原子的電子態會被激光場拉伸，形成所謂的亞穩態。過去的二十幾年間，很多工作對由於亞穩態的存在導致的原子穩定化現象進行了深入的研究 [1]。但是對於畸變波函數實時測量尚未實現。

近日，來自華中科技大學的周月明、陸培祥教授研究小組針對以上問題提出可以利用阿秒光電子全息干涉方法[2]來探測原子的電子波函數在超強極紫外激光場的畸變過程。圖1（a）展示了電子波函數在激光場中絕熱演化過程。在激光場的上升沿，原子波函數被激光場拉伸，在下降沿，拉伸的波函數又回復到原子的波函數形狀。為了探測這一演化過程，他們引入了一束紅外激光脈衝，用來誘導畸變中的電子態發生隧穿電離。如圖1（c）所示，隧穿電離產生的直接電離的電子波包和發生散射的電子波包會發生干涉，在動量譜中形成了全息干涉結構。這種全息干涉結構記錄了隧穿電子波包的初始位置（如圖1（b）所示）。而隧穿電子波包的初始位置依賴于波函數的瞬時形狀。因此，通過從全息干涉圖樣中提取隧穿電子波包的位置，畸變波函數在超強極紫外激光中的演化過程被實時追蹤。

圖2 從全息干涉圖譜中提取的隧穿電離位置y_0和畸變波函數在隧穿出口位置處的極大值ym。

通過數值求解全維含時薛定諤方程，該工作證明了這一方案的可行性。圖2展示由全息干涉圖譜中提取的隧穿電離位置y0與從畸變波函數在隧穿出口位置處分布極大值的位置ym的對比。這兩種結果符合的很好。這表明光電子全息的方法成功地「拍攝「了畸變中的波函數瞬時形態。

圖3 在較短的極紫外激光中，由紅外光產生的隧穿電離光電子動量分布。

在更短的極紫外激光脈衝中，由於激光包絡的快速變化而引起原子電子態的非絕熱躍遷過程十分顯著。此時紅外激光誘導的隧穿電離不僅僅來自於原子的基態，由於非絕熱躍遷過程產生電子態對隧穿電離也有貢獻。從而，導致光電子的全息干涉譜中出現叉狀結構（如圖3黑色虛線框所示）。通過分析叉狀結構分布的位置，可以獲得超強極紫外激光中的非絕熱演化過程的信息。

研究團隊成功實現了利用阿秒光電子全息干涉方法實時測量超強極紫外激光中原子電子波函數的畸變過程。該工作不僅證明了在超強激光中電子亞穩態的存在，更重要地揭示了在超強極紫外激光中的束縛態電子波波的阿秒演化過程。這對理解束縛態電子在超強激光場中的非線性響應有重要的意義。該研究提出的阿秒光電子全息的方法，可以推廣到更複雜的體系中，揭示更複雜體系的電子阿秒動態過程。