研究小組開發(fā)出一種利用兩束阿秒激光脈沖的波函數(shù)的新型量子干涉測(cè)量方法，該方法能夠以幾阿秒精度進(jìn)行測(cè)量。通過這種方法，研究小組測(cè)量了氦原子在極紫外區(qū)的高電子態(tài)波函數(shù)在174阿秒周期內(nèi)的時(shí)間演化。該方法有望用于測(cè)量幾阿秒到仄秒?yún)^(qū)域內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象，有助于開發(fā)測(cè)量和控制量子材料的新方法。

分子和材料中的電子在各種材料的性質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)和分子結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著重要作用。利用由高次諧波生成所產(chǎn)生的極紫外區(qū)的阿秒激光脈沖，不僅可以測(cè)量這些電子和分子的變化，還可以在阿秒時(shí)間尺度（1阿秒=10^-18秒）內(nèi)測(cè)量電子的量子性質(zhì)。

近年來，研究小組利用阿秒激光脈沖和紅外激光脈沖，成功對(duì)電離復(fù)雜電子的波函數(shù)進(jìn)行了成像。雖然此前也有人嘗試使用兩束相同的阿秒激光脈沖的方法，但要在高時(shí)間精度下控制兩束脈沖之間的時(shí)間差，并將它們聚焦在同一位置以測(cè)量電子的動(dòng)量分布，需要一套復(fù)雜且昂貴的測(cè)量系統(tǒng)。

本研究中，研究小組利用簡單的光學(xué)系統(tǒng)，開發(fā)出一種使用兩束阿秒激光脈沖進(jìn)行電子波函數(shù)干涉測(cè)量的新方法。

在以往將一束激光脈沖分成兩束脈沖所使用的方法（圖2(a)）中，由于干涉儀的機(jī)械精度和波動(dòng)性，在穩(wěn)定控制兩束脈沖之間的時(shí)間差以及測(cè)量樣品的照射方法上存在挑戰(zhàn)。因此，本研究中，研究小組利用不同波長的兩束激光脈沖（紅外激光脈沖ω和紫外激光脈沖2ω），在同一光路中產(chǎn)生了阿秒激光脈沖A和B（圖2(b)）。由于使用了同一光路，避免了因光路差異所引起的波動(dòng)，并可以輕松且高精度地改變阿秒激光脈沖A與B之間的時(shí)間差。

阿秒激光脈沖包含多種不同波長的諧波，也被稱為高次諧波。為了測(cè)量波函數(shù)的干涉，需要“相同波長的諧波”。然而，根據(jù)傳統(tǒng)阿秒脈沖產(chǎn)生原理，由紅外激光脈沖產(chǎn)生的阿秒激光脈沖A和由紫外激光脈沖產(chǎn)生的阿秒激光脈沖B一般不會(huì)包含相同波長的諧波。但本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)適當(dāng)?shù)乜刂萍t外激光脈沖與紫外激光脈沖之間的時(shí)間間隔時(shí)，阿秒激光脈沖B包含“額外”的諧波（圖2(b)中的13ω、15ω等），因此，研究小組開發(fā)了一種利用A和B中包含的相同波長諧波（即15ω）來測(cè)量波函數(shù)干涉的方法。

具體而言，研究小組首先通過第一個(gè)阿秒激光脈沖B，在氦原子的高電子態(tài)（4p里德堡能級(jí)）上生成了一個(gè)電子波函數(shù)。該電子波函數(shù)在復(fù)平面上隨時(shí)間演化，且其相位分量會(huì)不斷變化。接下來，經(jīng)過大約100飛秒(fs)的時(shí)間間隔后，研究小組照射第二個(gè)阿秒激光脈沖A，生成了相同的波函數(shù)。此外，如果以阿秒級(jí)微調(diào)A與B之間的時(shí)間差，兩個(gè)波函數(shù)重疊的條件會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致波函數(shù)會(huì)根據(jù)時(shí)間差的不同而相長或相消（相干控制）。研究小組在利用紅外激光脈沖（IR）的電離過程中檢測(cè)到了重疊的波函數(shù)。圖1顯示了當(dāng)改變阿秒激光脈沖A與B之間的時(shí)間差時(shí)，由電離產(chǎn)生的光電子產(chǎn)率的變化。174阿秒周期內(nèi)光電子產(chǎn)率的振動(dòng)，對(duì)應(yīng)于4p態(tài)電子波函數(shù)相位在這一周期內(nèi)的振動(dòng)。研究還表明，電子波函數(shù)的量子相干性可以保持超過100飛秒。

由于本方法不使用將激光脈沖分成兩束并重新組合的干涉儀，因此能夠以高時(shí)間精度和穩(wěn)定性控制兩束阿秒激光脈沖之間的時(shí)間差。

作為補(bǔ)充，以下視頻展示了使用同一測(cè)量系統(tǒng)對(duì)波函數(shù)進(jìn)行相干控制的最新測(cè)量結(jié)果。

阿秒激光脈沖有望成為比傳統(tǒng)同步輻射光源小得多的極紫外和軟X射線區(qū)域的光源。此外，由于是相干光源，因此可以輕松地與多個(gè)激光脈沖組合，從而獲得諸如電子波函數(shù)相位等量子信息。一般來說，阿秒?yún)^(qū)域的實(shí)驗(yàn)需要精密控制光學(xué)系統(tǒng)，但這也成為使用阿秒激光脈沖時(shí)的一個(gè)挑戰(zhàn)。本研究所采用的方法能夠輕松實(shí)現(xiàn)幾阿秒精度的測(cè)量，從而擴(kuò)展了阿秒激光脈沖的應(yīng)用。

此外，將類似方法應(yīng)用于分子、固體和表面，有望開發(fā)出測(cè)量材料的新量子力學(xué)性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)中波函數(shù)變化的方法。量子計(jì)算機(jī)的目標(biāo)之一是計(jì)算各種電子態(tài)，而通過本方法有望獲得高精度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較和驗(yàn)證。

在本研究中使用的氦原子4p里德堡態(tài)中，電子波函數(shù)的相位變化周期為174阿秒，而測(cè)量精度可達(dá)到幾阿秒以下。因此，未來的挑戰(zhàn)在于發(fā)現(xiàn)和測(cè)量在幾個(gè)阿秒到仄秒范圍內(nèi)發(fā)生的全新物理現(xiàn)象。

由不同波長產(chǎn)生的阿秒激光脈沖（高次諧波）按照以往的常識(shí)，應(yīng)該產(chǎn)生不同的波長，但這次，研究小組通過波函數(shù)的量子干涉實(shí)驗(yàn)，證明了它們可以產(chǎn)生相同的波長。此外，如果將紅外激光脈沖和紫外激光脈沖在時(shí)間上完全重疊來產(chǎn)生阿秒激光脈沖，由于兩束脈沖的干涉，所產(chǎn)生的阿秒激光脈沖會(huì)發(fā)生波動(dòng)，則無法進(jìn)行此類測(cè)量。這個(gè)結(jié)果相當(dāng)出乎意料。最近嘗試使用與本研究中相同的方法和設(shè)備來測(cè)試能夠進(jìn)行測(cè)量的時(shí)間步長，結(jié)果表明，這種方法可以以較高精度進(jìn)行測(cè)量，期待改方法能夠擴(kuò)展到仄秒級(jí)。

術(shù)語解釋