關(guān)于新型阿秒鐘實(shí)現(xiàn)對(duì)量子隧穿時(shí)間問題的研究
量子隧穿是微觀世界的基本現(xiàn)象,它是指粒子可以像波一樣地穿過有阻礙的區(qū)域(即勢壘),是微觀粒子的波粒二象性的一個(gè)具體表現(xiàn)。如今,量子隧穿的概念已經(jīng)滲透到物理學(xué)的方方面面,比如廣泛使用的掃描隧道電子顯微鏡、半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)等。然而,關(guān)于量子隧穿卻有一個(gè)基本問題充滿著爭議,那就是隧穿的過程是否需要時(shí)間?如果需要時(shí)間那又該如何測量呢?自量子力學(xué)誕生以來,這個(gè)問題一直伴隨著量子力學(xué)的發(fā)展而爭論至今。 隨著超短激光脈沖的問世,人們一直努力、希望在強(qiáng)場隧道電離的范疇來解決這個(gè)的重要爭議問題。隨即,學(xué)術(shù)界提出了可以通過阿秒鐘方案測量隧道電離的發(fā)生時(shí)間(即時(shí)間延遲),阿秒鐘巧妙地將隧穿時(shí)間延遲轉(zhuǎn)化為光電子發(fā)射角的偏移,然而對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果,大家一直未取得一致的看法。學(xué)術(shù)界通過十多年的研究,基本上形成了兩種對(duì)立的觀點(diǎn),即瞬時(shí)隧穿(隧穿幾乎不需要時(shí)間)與延時(shí)隧穿(隧穿需要百阿秒量級(jí)的時(shí)間),各自都有相應(yīng)的理論與實(shí)驗(yàn)支持。似乎這兩種觀點(diǎn)充滿矛盾、不可調(diào)和!量子隧穿的示意圖量子隧穿可以看作是微觀粒子的“穿墻術(shù)”增強(qiáng)型阿秒鐘的原理。(a)線偏振的二次諧波打破了圓偏振的基頻光的對(duì)稱性,標(biāo)記了最大值激光電場的方向與時(shí)刻。(b)不加二次諧波時(shí)測量的光電子動(dòng)量譜。(c)加入標(biāo)記光場后測量的光電子動(dòng)量譜。 傳統(tǒng)的阿秒鐘是采用單個(gè)橢圓偏振或近圓偏振的激光脈沖,因此傳統(tǒng)阿秒鐘的校準(zhǔn)依賴于少周期激光的載波包絡(luò)相位和橢偏率的確定,它們的噪聲抖動(dòng)會(huì)給阿秒鐘的測量帶來很大的誤差。日前,北京大學(xué)物理學(xué)院、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“極端光學(xué)創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)”劉運(yùn)全教授和龔旗煌院士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組,提出并實(shí)現(xiàn)了一種全新改進(jìn)型阿秒鐘,在一束圓偏振飛秒激光場中加入了另一束線偏振的倍頻光來校準(zhǔn)阿秒鐘,使得光電子發(fā)射角的偏移量的定標(biāo)更加精準(zhǔn)。這種增強(qiáng)型阿秒鐘使得隧穿時(shí)間的測量更加準(zhǔn)確可靠。理論上還證明了上述兩種看似對(duì)立的隧穿圖像可以被統(tǒng)一在同一個(gè)理論框架下進(jìn)行描述。在強(qiáng)場近似理論框架下,他們分別建立了瞬時(shí)隧穿圖像以及基于Wigner表象的延時(shí)隧穿圖像,對(duì)于增強(qiáng)型阿秒鐘的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,這兩種隧穿圖像的理論結(jié)果都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。因此,這是第一次使用同一個(gè)理論框架和同一個(gè)實(shí)驗(yàn)完美地統(tǒng)一了這個(gè)長期的學(xué)術(shù)爭議,為隧穿時(shí)間研究提供一種思路。
北京大學(xué)
2021-04-11