多光子共振激發 誘導里德堡態的普適機制
日期：2019-03-22 11:02:48 來源：凡帝(di)朗
里(li)德堡態(tai)(tai)是指原子(zi)或(huo)分子(zi)中(zhong)(zhong)某個電子(zi)被激發(fa)到(dao)高能量軌道的(de)一種狀(zhuang)態(tai)(tai)。科學(xue)家們研(yan)究發(fa)現，里(li)德堡態(tai)(tai)原子(zi)或(huo)分子(zi)具有一些獨(du)特性質：它們對于磁(ci)場或(huo)碰撞等(deng)外界影響極端敏感，很容易與微波(bo)輻射發(fa)生作用(yong)，因此在(zai)光(guang)學(xue)物理等(deng)領域(yu)各種實驗中(zhong)(zhong)都會涉及到(dao)它。
近期，華(hua)東師范大學精密光譜科學與(yu)技(ji)術國家重點實驗室吳健教授(shou)團(tuan)隊(dui)在超快激(ji)光誘導里(li)(li)德(de)(de)堡(bao)態(tai)激(ji)發研究(jiu)領域取得重要(yao)進展。他們利(li)用飛秒強激(ji)光與(yu)分子相互(hu)作用產(chan)生(sheng)里(li)(li)德(de)(de)堡(bao)原(yuan)(yuan)子，并(bing)結合電子—原(yuan)(yuan)子核關(guan)聯能譜技(ji)術，揭示了多光子共振激(ji)發是強激(ji)光誘導里(li)(li)德(de)(de)堡(bao)態(tai)產(chan)生(sheng)的普(pu)適(shi)機制。研究(jiu)結果(guo)發表于(yu)最新一期《自然·通訊》上。
高激(ji)發的中(zhong)性里(li)德堡態原子(zi)之惑
超(chao)快(kuai)強激光作用下，原子(zi)(zi)或分(fen)子(zi)(zi)內的(de)束縛電(dian)子(zi)(zi)將從光場中吸(xi)收光子(zi)(zi)能量發(fa)生電(dian)離(li)。根據(ju)激光強度的(de)不(bu)同(tong)，電(dian)子(zi)(zi)的(de)超(chao)快(kuai)電(dian)離(li)可以理解為多光子(zi)(zi)電(dian)離(li)或量子(zi)(zi)隧穿機(ji)制(zhi)。近(jin)年來(lai)，研究(jiu)人(ren)員發(fa)現(xian)，在強激光場作用下，電(dian)子(zi)(zi)有一定(ding)(ding)的(de)概(gai)率不(bu)被(bei)(bei)電(dian)離(li)而被(bei)(bei)囚禁在里德堡態(tai)，形成(cheng)穩定(ding)(ding)的(de)中性里德堡原子(zi)(zi)分(fen)子(zi)(zi)。
作為產(chan)生(sheng)(sheng)里(li)德(de)堡(bao)原子(zi)(zi)分(fen)子(zi)(zi)的重要手段(duan)之一，強(qiang)激(ji)(ji)光(guang)(guang)誘導里(li)德(de)堡(bao)態激(ji)(ji)發(fa)(fa)在(zai)中(zhong)性原子(zi)(zi)加速、近閾值諧波(bo)產(chan)生(sheng)(sheng)、低能光(guang)(guang)電(dian)子(zi)(zi)譜結(jie)構(gou)產(chan)生(sheng)(sheng)以(yi)及多光(guang)(guang)子(zi)(zi)拉比(bi)振蕩(dang)等強(qiang)場物理現象中(zhong)有(you)著重要的應用(yong)。經過(guo)不斷的科學探索(suo)，研(yan)究人員(yuan)提出強(qiang)激(ji)(ji)光(guang)(guang)誘導里(li)德(de)堡(bao)態激(ji)(ji)發(fa)(fa)的物理機制與原子(zi)(zi)分(fen)子(zi)(zi)電(dian)離(li)機制類似，可以(yi)用(yong)多光(guang)(guang)子(zi)(zi)共振激(ji)(ji)發(fa)(fa)或受挫量(liang)子(zi)(zi)隧穿(chuan)圖像來解釋。
團隊成員告訴科技日報(bao)記者，2017年初，他(ta)們發現(xian)強激(ji)光場作用下產生的中性(xing)里(li)德堡原子，能(neng)像帶電粒子一樣(yang)被(bei)探(tan)測到。然而，分析數據表明，中性(xing)里(li)德堡原子的原子核能(neng)譜出現(xian)了奇怪的尖銳(rui)峰結構，這與之前研究(jiu)提(ti)出的預(yu)測結果很(hen)不一樣(yang)。
在這(zhe)之后很長一段時間里(li)，研究(jiu)團隊(dui)不斷提高測量(liang)的精度(du)和(he)分(fen)辨(bian)率，并測試不同物理(li)條件下里(li)德(de)堡態的激(ji)發(fa)過程，希望(wang)可以(yi)了(le)解里(li)德(de)堡態激(ji)發(fa)背后真正的普適物理(li)機制。在經歷了(le)數不勝(sheng)數的實驗以(yi)及反復討論后，吳(wu)健教授(shou)團隊(dui)最終發(fa)現，當把電子(zi)(zi)與原子(zi)(zi)核關聯(lian)起來(lai)考慮(lv)時，所有(you)問題都迎刃而(er)解了(le)。
電(dian)子—原(yuan)子核(he)關聯效應激發新通(tong)道(dao)
基于此前發展的中性里德堡原子(zi)(zi)探測(ce)技(ji)術，吳健教授團隊提出利(li)用紫外飛(fei)秒強(qiang)(qiang)激(ji)(ji)光脈沖與氫(qing)氣(qi)分子(zi)(zi)相互作用，開(kai)展強(qiang)(qiang)激(ji)(ji)光誘導里德堡態激(ji)(ji)發過程的實驗探索(suo)。實驗揭示了多光子(zi)(zi)共振激(ji)(ji)發為強(qiang)(qiang)激(ji)(ji)光誘導里德堡態產生的普適機制。
實驗結(jie)果顯(xian)示，里德(de)堡態多光子共(gong)振(zhen)(zhen)激發(fa)(fa)(fa)時(shi)的(de)核(he)(he)間(jian)距要(yao)小于發(fa)(fa)(fa)生共(gong)振(zhen)(zhen)增(zeng)強(qiang)電(dian)離(li)時(shi)的(de)核(he)(he)間(jian)距。另(ling)外(wai)，由于斯塔克位移效應(ying)的(de)影(ying)響(xiang)，發(fa)(fa)(fa)生里德(de)堡態共(gong)振(zhen)(zhen)激發(fa)(fa)(fa)處的(de)核(he)(he)間(jian)距大小隨著(zhu)激光強(qiang)度的(de)增(zeng)加而變(bian)大。這一變(bian)化(hua)將(jiang)影(ying)響(xiang)電(dian)子與解離(li)原子核(he)(he)之間(jian)的(de)分配比，從而引起(qi)里德(de)堡原子的(de)能譜(pu)結(jie)構隨光強(qiang)的(de)變(bian)化(hua)。當(dang)光強(qiang)達到一定(ding)強(qiang)度時(shi)，氫(qing)氣(qi)分子雙電(dian)離(li)通道(dao)和里德(de)堡原子激發(fa)(fa)(fa)通道(dao)的(de)解離(li)原子核(he)(he)能譜(pu)變(bian)得非常(chang)相似(si)。
這一現象表明，多光子共(gong)振激(ji)發(fa)機制作為(wei)強激(ji)光誘導里(li)(li)(li)德堡(bao)態(tai)產(chan)生(sheng)的(de)(de)普適機制，同(tong)樣可以很好地(di)解(jie)釋受挫隧穿電離理論的(de)(de)預測結果。該(gai)項(xiang)研(yan)究揭(jie)示了(le)分子內電子—原子核關聯效應(ying)在里(li)(li)(li)德堡(bao)原子產(chan)生(sheng)的(de)(de)過程中的(de)(de)重要性，極大深(shen)化了(le)我們對(dui)強激(ji)光誘導里(li)(li)(li)德堡(bao)態(tai)激(ji)發(fa)這一基本(ben)物理行為(wei)的(de)(de)認識，為(wei)強場里(li)(li)(li)德堡(bao)原子分子激(ji)發(fa)的(de)(de)相干調控(kong)提(ti)供了(le)新方(fang)法和新思路(lu)。