研究人员测量未束缚电子中的单光子跃迁

时间:2020-04-06 18:40 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

研究人员测量未束缚电子中的单光子跃迁

在与光子的每一次相互作用中,电子的动力学会发生微小的变化。苏黎世联邦理工学院的物理学家现在已经通过记录一个未束缚电子中单光子跃迁的阿秒级时间延迟,测量出了这种可能是最纯粹形式的相互作用。

光子撞击物质引起电子发射的光电效应是量子力学的典型效应之一。爱因斯坦在1905年解释了这一现象背后的关键机制,并因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。他以5年前马克斯·普朗克提出的一个概念为基础:电磁能量只以离散的包——也就是量子的形式——被吸收和发射。量子概念彻底改变了物理学。光电效应,就其本身而言,已经被探索得越来越详细,并且今天被应用在从太阳能电池到夜视镜的各种应用中。

过去十年左右,人们对气候变化影响的理解出现了转变。激光实验使得直接观察复杂的量子动力学成为可能,当电子与光相互作用时,它们从它们的母体系统中被移除,这些量子动力学在阿秒级上展开。然而,光致电离过程的时间分辨测量,其最纯粹的形式——单个未束缚的电子对单个光子的吸收和发射——到目前为止仍然是难以捉摸的。

Jaco Fuchs和量子电子学研究所教授Ursula Keller所在的超快激光物理小组的同事们在《光学》杂志上撰文,与美国的合作者合作美国、奥地利和西班牙报道了一项实验,他们测量了单光子的吸收和发射如何改变电子的动力学,电子不受原子核束缚,但仍有库仑势。引入了一种新的实验方案,他们发现动力学依赖于光电离电子的角动量。研究人员测量了氦中s-和d-向外发射的电子之间长达12阿秒的延迟。这是量子力学效应的一个微妙而又准确无误的特征。他们还观察了经典起源的基本现象——他们测量了相的变化,表明在d电子中向外传播比在s电子中慢。这可以用转动能的较大比例来解释,因此d-电子的径向能量较低。

提取单个光子的贡献

这些结果标志着几个第一。Keller小组在attoscience的各个领域都处于领先地位,包括测量光激发电子在母体离子的电势中传播时产生的阿秒时间延迟,从而产生可测量的群延迟。测量这些阿特秒级的时间延迟通常涉及至少两个光子,这使得提取单个光子的贡献变得异常困难。富克斯等人现在已经找到了一种方法来做到这一点。

在他们的研究中,有两个光子参与其中,一个在极紫外(XUV)范围内,另一个在红外(IR)范围内。但他们设计了一个拟合程序,使他们能够从高质量的数据中提取光离子在其系统中进行的所有量子通道的振幅和相对相位。通过这种方式,他们能够分离出IR光子的贡献,它们是那些在非束缚态电子中引起跃迁的光子(而XUV光子通过将电子从束缚态转移到连续体中而使原子电离)。

直接测量轫致辐射引起的延迟

德国联邦理工学院的物理学家们不仅从任何单光子的传递中获得了时间延迟,而且这也是首次测量由未束缚电子吸收和发射光子的这种时间延迟,这种现象被称为(逆)轫致辐射(Bremsstrahlung)。采用两种独立的理论方法对实验结果进行了很好的再现。这些模拟也提供了证据,说明某些观察到的效应是普遍存在的,因为它们与母体离子的原子种类无关。

这项工作表明,在爱因斯坦的开创性工作115年后,光电效应仍在继续激励着人们。Fuchs和同事们介绍的工具为研究原子和小分子的光致电离动力学提供了新的实验能力。这样的研究反过来又可以更充分地了解光发射的时间延迟,特别是在中长期相互作用的情况下。

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