“极端光学创新团队”在《物理评论快报》发表强激光场下原子隧道电离研究新进展

量子遂穿是量子力学基本问题之一，通过对量子隧穿电流的测量，可以实现原子尺度的表面成像，是隧道扫描显微镜的基本原理。但如何描述和测量电子在势垒下动力学行为一直未得到深入研究，在原子波函数层次上，开展量子遂穿的实验研究一直是比较困难的。在飞秒强激光和原子分子相互作用的过程中，激光场会将原子内部的库伦场压低，形成了处于基态电子可以发生隧穿的势垒，,即隧道电离。自前苏联科学家L.V. Keldysh首次理论上研究以来，一直备受关注，因为隧道电离是强场原子分子光物理以及阿秒物理的重要基石。然而目前的实验和理论一般都只关注于电子隧穿几率,以及电子波包的振幅信息，完全忽略其初始相位，主要是势垒下相位（sub-barrier phase）。势垒下相位携带着光电子丰富的隧穿动力学信息，却至今仍然未被观测到。

太阳成集团tyc234cc、人工微结构和介观物理国家重点实验室“极端光学创新研究团队”的刘运全教授和龚旗煌院士等，针对强激光场作用下原子的遂穿过程开展深入研究，利用等强度的偏振正交的双色飞秒光场（800nm + 400nm），深入研究遂穿电子干涉的干涉动力学，提出了利用新型的“时空电子干涉仪”（图 1），探测电子在遂穿过程中获得势垒下相位，揭示电子隧穿的动力学信息。该工作利用先进的冷靶反冲离子电子动量成像谱仪（所谓COLTRIMS），清晰地测量了正交双色光场下的光子周期内干涉图案（图2）。通过与理论模拟的对比 [强场近似（SFA）,库仑修正的强场近似(CCSFA)和数值求解含时薛定谔方程（TDSE）]，揭示出了光电子势垒下相位的对干涉图案的贡献。研究结果表明势垒下相位蕴藏着的电子隧穿动力学信息，对光电子干涉和光电子全息起着不可或缺的作用。该研究工作发表在近期《物理评论快报》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）。

二年级博士生韩猛同学是该论文第一作者。该工作得到中国国家自然科学基金委、科技部、太阳成集团tyc234cc人工微结构和介观物理国家重点实验室、“2011计划”量子物质科学协同创新中心等支持。