利用阿秒脉冲探测和控制原子分子内部的电子动力学

自激光发明以来，利用激光来探测原子分子的结构以及操控其内部的动力学一直是物理学的前沿课题之一，这些研究极大的推动了相关科学和技术的进步。阿秒脉冲在本世纪之初的诞生，为激光与物质的相互作用开辟了又一门崭新的科学-----阿秒科学。阿秒脉冲使得人们探测和控制原子分子内部的电子动力学过程成为可能，这将是继飞秒科学后的又一次飞跃。最近，北京大学 “飞秒光物理和介观光学”创新研究群体的彭良友副教授、龚旗煌教授和他们的研究生与美国和日本学者合作，在阿秒物理理论方面取得了一系列重要进展。

首先，他们提出了一种利用电子波包对原子分子势进行全息成像的方法。这个工作展示了电离的电子与其原子相互作用时的波粒二象性。这种波粒二象性的联系使得利用激光驱动的电子对原子分子势的全息成像成为可能。在他们提出的方案之中，原子分子在一束超短的阿秒脉冲以及一束弱的超短红外激光作用下电离；电离过程由阿秒脉冲触发，而弱的红外光用来操控电离出来的电子波包。由于阿秒脉冲很短，因此电离出来的电子波包具有很宽的能谱，其中一些低能的电子将能够被弱的红外光拉回到母体核附近而发生前向或者背向散射。他们的研究发现了一系列类似于经典粒子的电子经迹与母体核发生一次或者多次散射。由于电子的波动性，这些经典经迹相互干涉，在电子的动量谱上形成了非常规则和有趣的结构。他们的研究指出，这些干涉结构中含有电离电子与母体离子相互作用时的重要信息，这些干涉结构可以看成是一幅电子全息成像图： 散射电子对母体离子进行了扫描，直接电离而没有被散射的电子作为一个参考束，人们有望从这两束电子波包的相干谱中获得母体离子势的基本信息。相关工作已经发表在近期的Phys. Rev. Lett.上 【Ming-Hui Xu, Liang-You Peng*, Zheng Zhang, Qihuang Gong*, Xiao-Min Tong*, E. A. Pronin, and A. F. Starace*, Phys. Rev. Lett. 107, 183001 (2011), http://prl.aps.org/abstract/PRL/v107/i18/e183001】（点击下载）。论文的第一作者徐明辉硕士已毕业并前往美国JILA继续攻读博士学位。

与此同时，该小组还在国内率先开发了精确求解双电子原子在激光脉冲作用下的全维含时薛定谔方程的大型并行程序。对于这种没有引入任何软化库伦势近似的5维空间+1维时间的双电子含时薛定谔方程，在国际上也只有少数几个研究组能够精确求解。最近，该小组利用自行开发的程序对氦原子在阿秒脉冲作用下双电离过程中的电子关联进行了系统研究，发现了电子关联在不同电离阶段和不同激光参数下的作用及其在两电子联合角分布中的体现。相关工作最近发表在Phys. Rev. A 上【Zheng Zhang, Liang-You Peng*, Ming-Hui Xu, Anthony F. Starace, Toru Morishita, and Qihuang Gong*, Phys. Rev. A 84, 043409 (2011), http://pra.aps.org/abstract/PRA/v84/i4/e043409】。该论文的第一作者博士生张政在相关的程序开发中做出了十分重要的贡献。

今年稍早些时候，该研究小组还提出了利用阿秒脉冲的泵浦探测来追踪单分子内部电子的运动过程，他们的方法类似于时间依赖的双缝干涉(time-dependent double-slit)。他们还在单分子层次上验证了先验的可预测性和干涉衬比度间所应满足的普遍关系。该工作受到了审稿人的高度评价，并作为封面文章和Fast Track Communications在J. Phys. B上发表【Ming-Hui Xu, Liang-You Peng*, Zheng Zhang and Qihuang Gong*, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 44 (2011) 021001, http://iopscience.iop.org/0953-4075/44/2/021001】。该工作发表后引起了广泛关注，彭良友副教授因此受邀在西班牙马德里举办的第十届飞秒大会上做了来自中国唯一的邀请报告【http://www.femto10.com/index.php/speakers】。

上述研究工作得到了国家自然科学基金创新群体项目和面上项目、国家重点实验室自主课题等的资助。