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量子遂穿是量子力學基本問題之一，通過對量子隧穿電流的測量，可以實現原子尺度的表面成像，是隧道掃描顯微鏡的基本原理。但如何描述和測量電子在勢壘下的動力學行為一直未得到深入研究，在原子波函數層次上，開展量子遂穿的實驗研究一直是比較困難的。在飛秒強激光和原子分子相互作用的過程中，激光場會將原子內部的庫倫場壓低，形成了處于基態電子可以發生隧穿的勢壘，即隧道電離。自前蘇聯科學家L.V. Keldysh首次從理論上研究以來，該領域一直備受關注，因為隧道電離是強場原子分子光物理以及阿秒物理的重要基石。然而目前的實驗和理論一般都只關注于電子隧穿幾率，以及電子波包的振幅信息，完全忽略其初始相位，主要是勢壘下相位（sub-barrier phase）。勢壘下相位攜帶著光電子豐富的隧穿動力學信息，卻至今仍然未被觀測到。

北京大學物理學院、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室“極端光學創新研究團隊”的劉運全教授和龔旗煌院士等，針對強激光場作用下原子的隧穿過程開展深入研究，利用等強度的偏振正交的雙色飛秒光場（800nm + 400nm），深入研究隧穿電子干涉的干涉動力學，提出了利用新型的“時空電子干涉儀”（圖 1）探測電子在隧穿過程中獲得勢壘下相位，揭示電子隧穿的動力學信息。該工作利用先進的冷靶反沖離子電子動量成像譜儀（所謂COLTRIMS），清晰地測量了正交雙色光場下的光子周期內干涉圖案（圖2），通過與理論模擬的對比【強場近似（SFA）,庫侖修正的強場近似(CCSFA)和數值求解含時薛定諤方程（TDSE）】，揭示出了光電子勢壘下相位的對干涉圖案的貢獻。研究結果表明勢壘下相位蘊藏著的電子隧穿動力學信息，對光電子干涉和光電子全息起著不可或缺的作用。該研究工作發表在近期《物理評論快報》上【“Revealing the sub-barrier phase using a spatiotemporal interferometer with orthogonal two-color laser fields of comparable intensity”, Phys. Rev. Lett. 119, 073201(2017）】。

 

 

 

 

 

 

 

圖1 等強度偏振正交的800nm和400nm激光的合成光場的時空結構以及在激光場最大值處的量子隧穿示意圖

 

 

 

 

 

圖2 實驗上測量到的在不同相位的 0π(a), 0.25π (b), 0.5π (c), 0.75π (d).正交雙色光場中光電子干涉圖樣

二年級博士生韓猛是該論文的第一作者。該工作得到中國國家自然科學基金委、科技部、北京大學人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、“2011計劃”量子物質科學協同創新中心等支持。