激光脉冲产生能力引发原子及分子跃迁

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发布时间：2017-06-29

通过求解之前困扰很多研究人员的六维方程，美国内布拉斯加林肯大学（UniversityofNebraska-Lincoln）的物理学家可准确描述使电子从其轨道上逃逸的激光脉冲特性，并准确预测和操控电子运动。
　　我们很早就知道，一定强度的激光脉冲产生的能量可以使电子从其围绕着原子快速旋转的轨道上逃逸，即离子化。
　　美国内布拉斯加林肯大学领导的国际研究团队证明，电子离开氦原子的角度取决于激光脉冲电场是左旋电场还是右旋电场，即它是逆时针旋转还是顺时针旋转。研究人员还计算了这两种情况下电子逃逸角度的不同范围。
　　研究人员将此效应称为“非线性二色性”（nonlineardichroism），他们进一步证明该效应仅当原子受到一束超快的强烈激光脉冲照射并且其电场为椭圆形时才会出现。
　　这项研究成果发表于11月26日的《物理评论快报》杂志（Phys.Rev.Lett.,DOI:10.1103/PhysRevLett.113.223002）。文章特别指出，能产生这一效应的激光脉冲持续时间不超过2×10-16秒。以2×10-16秒的时间间隔从0数至1秒，需要花上约1.585亿年，这比地球从侏罗纪进化至今的时间还要长。
　　“激光原子物理学的目标就是控制电子运动并成像。”本文的共同作者、物理学教授AnthonyStaraces说道，“为了实现这一目标，我们需要时间尺度比电子运动还要快的探针。”
　　Starace同时注意到，超快激光脉冲与其引起的量子尺度相互作用会使许多实验结果的机理变得难以理解。
　　“整个过程在如此短的时间内发生，实验者往往也不知道自己得到的结果是什么。”Starace说道，“他们无法观测到电子如何引发原子及分子跃迁。因此，他们需要清楚如何观测，如何得到正确的观测结果。”
　　Starace说道，此项工作有助于激光物理学家了解这些普遍存在的基本问题。
　　“超快激光脉冲现已用于电子过程的计时。”Starace说道，“日常生活中我们一般使用分钟作为时间尺度，而电子运动往往在极短时间内发生。但到底是10-17秒、10-16秒还是10-15秒，我们无从得知。如果我们能够了解，就可以从理论上真正弄清楚电子跃迁的具体经过。”
　　Starace说道，通过识别和测量非线性二色性，我们的研究可以使量子物理学家更好地描述实验中产生的激光并验证实验结果。
　　“实验者通过测量这一新效应，就会知道激光脉冲的持续时间、脉冲的极性以及产生的电场形状等问题。”Starace说道，“这些都可以表征激光脉冲特点。”
　　Starace说，本研究表明人们朝着激光物理学的最终目标更进一步，即操控宇宙中物质最基本的构成部分。
　　“如果实验最终可以产生这一脉冲，该新效应可使实验者能够操作电子的运动方式。”Starace说道，“如果使用10-18级这种具有特殊极化率的激光脉冲去轰击一个目标，我们可以识别电子的运动方式。这就是人们的梦想——不仅仅是观察，而且要实际操控电子的运动。”
　　JeanMarcelNgokoDjiokap，物理学助理教授，在本次研究中负责编写受激光影响的电子相互作用以及多维电场中电场复杂度的程序代码。
　　“通常情况下，理论上电场只在一个方向上振荡，这降低了计算的难度。”Starace说道，“当极化为椭圆形时，电场在一个平面内自转。这进一步增加了问题的难度，也大大增加了计算量和计算难度，但Marcel很好地解决了这个问题。”
　　Starace将该团队的计算方法比作去坐一个由激光脉冲产生的电场这一椭圆形旋转木马。他还说道，从这一角度切入并进行计算而不是从外部静止的观测可以简化这一问题。
　　“如果一个人坐在旋转木马上，线外的人们看到他在转动，而他相对于木马是静止的。”Starace说道，“Marcel的工作就是将实验室框架下的计算平移到此旋转框架内，所以我们观测的都是线性极化的一维光。那么所有的问题都迎刃而解了。”

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