近日，上海科技大學(xué)大科學(xué)中心江玉海教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新型實(shí)驗(yàn)方法，成功測(cè)量了極化銣原子在光電離過(guò)程的末態(tài)波函數(shù)的相位差與振幅比。該研究不僅為光電離動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域提供了“全測(cè)量”的范例，還為阿秒時(shí)間尺度下的超快電子動(dòng)力學(xué)研究開(kāi)辟了新途徑。相關(guān)研究成果以“Complete Characterizations of Intermediate and Final State Wave Functions with Photoionization of Polarized Rb”為題，在線(xiàn)發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。

2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)再次引發(fā)了學(xué)術(shù)界對(duì)光電效應(yīng)時(shí)間尺度的關(guān)注。光電子發(fā)射的微小時(shí)間延遲（Eisenbud-Wigner-Smith時(shí)間延遲），主要源于電子逃離原子勢(shì)時(shí)與能量相關(guān)的散射相移。為了全面理解這一動(dòng)力學(xué)過(guò)程，精確測(cè)定不同電離通道的振幅與相對(duì)相位至關(guān)重要，這被稱(chēng)為“全測(cè)量”。光電離過(guò)程的全測(cè)量實(shí)驗(yàn)最先是在同步輻射上展開(kāi)的，然而，這些實(shí)驗(yàn)多集中于共振光電離過(guò)程及內(nèi)殼層電子研究，需考慮自旋-軌道耦合效應(yīng)。此外，電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)如法諾共振、俄歇衰變及熒光衰變等導(dǎo)致物理過(guò)程進(jìn)一步復(fù)雜化，干擾了理論的精確描述。阿秒計(jì)量技術(shù)能夠獲取電子躍遷的相位信息，但其中的激光-庫(kù)侖耦合效應(yīng)或連續(xù)態(tài)到連續(xù)態(tài)的躍遷造成的時(shí)間延遲增加了光吸收的本征延遲的測(cè)量難度。

針對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方法的不足，江玉海教授團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)方案，研制出國(guó)際首臺(tái)銣冷原子反應(yīng)顯微譜儀，利用激光冷卻技術(shù)調(diào)控磁量子數(shù)，通過(guò)偏振面上的光電子動(dòng)量分布（PMD）獲取關(guān)鍵信息。根據(jù)PMD中的傾斜角和干涉結(jié)構(gòu)，成功提取了電離通道的相對(duì)振幅和相移，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與TDSE計(jì)算結(jié)果高度吻合。實(shí)現(xiàn)了對(duì)中間態(tài)和末態(tài)波函數(shù)的全面表征，為類(lèi)氫原子的單光子單電離研究提供了一個(gè)基準(zhǔn)性的全測(cè)量。本方案具有顯著優(yōu)勢(shì)：首先，其不依賴(lài)于電離激光的橢偏度和強(qiáng)度，表現(xiàn)出較強(qiáng)的穩(wěn)定性；其次，相較于常見(jiàn)的泵浦-探測(cè)方法或內(nèi)殼層光電離實(shí)驗(yàn)，有效避免了可能引入的額外相移或時(shí)間延遲等復(fù)雜性問(wèn)題，使得相位和振幅的確定更為直接。展望未來(lái)，該實(shí)驗(yàn)方法為在阿秒時(shí)間尺度上研究光電子的m分辨躍遷動(dòng)力學(xué)、圓二色性以及解決和控制塞曼子能級(jí)間的干涉開(kāi)辟了新途徑。

圖1：實(shí)驗(yàn)裝置以及開(kāi)啟冷卻光方位示意圖

圖2：實(shí)驗(yàn)和理論得到的PMD（a）實(shí)驗(yàn)測(cè)量PMD（b）理論模擬PMD

圖3：相位差與振幅比隨光電子能量的變化

本研究由上?？萍即髮W(xué)江玉海課題組聯(lián)合北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所葉地發(fā)研究員理論課題組完成。上?？萍即髮W(xué)為第一完成單位，上?？萍即髮W(xué)大科學(xué)中心/物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士生馬歡玉為論文第一作者，北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所博士生張臨軒為論文共同第一作者，上?？萍即髮W(xué)江玉海教授、王新成副研究員與北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所葉地發(fā)研究員為通訊作者。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.123204