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《探索 | 解析分子多光子过程的阿秒电子分波》

  • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者： 胡思思
  • 发布时间：2025-07-10

  • 在量子物理研究中，分波作为描述粒子散射与辐射过程的基本概念，对理解微观粒子的动力学行为至关重要。相比于极紫外光源单光子或者双光子激发的相对单一的分波分辨测量，在非微扰的多光子相互作用中，由于复杂的多路径量子干涉，完整提取分波的振幅和相位信息仍存在极大挑战。针对这一难题，吴健教授和潘晟哲副研究员团队提出了一种解耦多光子过程产生的连续态电子分波的普适方法：通过构造正交双色激光脉冲，利用角量子数与磁量子数的跃迁选择定则，成功实现了氢气分子多光子过程中分波的完整解析，并精确测得了阿秒时间尺度的相互作用相位，为强激光场中的阿秒电子动力学提供了一种新的研究路径。

    在该研究中，研究团队创新性地提出正交双色光场方案，通过调控两束不同频率、偏振方向相互垂直的激光脉冲，生成各向异性的光电子辐射角分布。这些角分布随激光相位呈现规律变化，成为解码分波的“指纹”。通过对电子分波的相干分析，揭示了多光子过程中额外累积的阿秒量级的相互作用相位。这一相位直接反映了电子在强激光场中吸收或释放光子的动力学信息，为操控电子阿秒动力学提供了新思路。此外，该研究也加深了对强场驱动的高次谐波产生中相位的理解，尤其是在复杂分子与凝聚态体系中。

    正交双色激光场与氢气分子相互作用的示意图


  • 原文来源：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw5917
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  • 《探索 | 小型化等离子体加速器可产生高能电子束》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2023-03-13
    • 近日，英国科研团队表明，等粒子体加速器可以产生更多、频率更高的电子束，远远超过当今世界上少数运行的大型自由电子激光器（FELs）。该团队对一个由等离子体尾波场装置驱动的自由电子激光（FEL）进行了端到端的模拟，将加速电子从等离子体中提取出来。它们指出，该装置可以产生相干的硬X射线脉冲，每个脉冲只有100 as。 图1 等离子体尾波场装置加速电子并转化为X射线的艺术效果图 更小、更便宜的加速器 FELs通过一种称为波动器的装置发射高能电子，从而产生大量受欢迎的高频光。这种交错级数的磁铁迫使电子振荡并发射光子，这反过来导致电子在发射波长范围内聚集起来。随着辐射功率沿着波荡器呈指数级增长，结果就是一系列异常明亮的相干态闪光。 这个过程依赖于这种高能电子，其能量、空间位置和动量范围也非常狭窄。现有FEL通过加速射频腔实现高能电子。然而，这种腔体能承受的电场强度非常有限，限制了最大速度，这意味着需要加长加速器，提高装置成本（最新加速器造价超过10亿美元）。 由于等离子加速器具有高得多的电厂梯度，因此它可实现小型化、低成本。当高能粒子或激光脉冲穿过等离子体，将等离子体电子推到一边，并很快在它们尾迹中留下一个带正电区域，形成电子梯度。然后，电子在这个区域聚集，负电荷多于正电荷，这个区域带负电，其它电子与其相互作用，从而沿着这个波加速。 科学家们已经通过这种方式使电子束达到了每米几十亿伏特，然而，由于他们无法同时将能量传播和发射动量(能量和横向动量分布)限制在实验水平，因此仍无法达到传统加速器所能达到的光束质量。其结果是等离子体驱动的 FEL 能够产生高达软 X 射线波长的非相干辐射，或者在极紫外辐射区域产生相干输出。 更亮的电子束 2019年，英国斯特拉斯克莱德大学、美国 SLAC 国家加速器实验室合作团队展示了如何通过改变电子加速方式来提高光束质量。他们的“Trojan horse”技术包括利用等离子体波中释放的“冷”电子，通过激光脉冲电离背景气体，而不是从等离子体外注入“热”电子。在 SLAC 的 FACET 设施工作时，他们使用不同的激光脉冲电离氢原子，产生等离子体和氦原子，从而产生冷电子。 现在，斯特拉斯克莱德大学的Bernhard Hidding和Fahim Habib领导的这项合作的一部分，已经继续研究这种腔产生的电子特性是否可以在利用其稳定地产生 x 射线并且不会快速衰减。该团队的计算机模拟包括产生一个额外的电子束来重叠主电子束，并在放弃前者之前将其能量传播最小化，然后引导后者通过波荡器。 基于此，Hidding团队发现，应该有可能产生比射频装置中最亮的数量级更亮的电子束，然后提取、分离和传输这些电子束，而不会造成能量传播或发射率的显著降低。他们推断，波动器的输出将是波长小于盎司的相干 X 射线脉冲，持续时间约为100阿秒(≈10-16秒) ，在电子振荡10米后达到最大亮度。 未来方向 该团队认为，这种短波长脉冲可以在基础科学、医学和工业领域得到广泛的应用。此外，他们称，未来有可能实现电子在其自然时间和长度尺度上的运动成像，从而可以研究生物分子和化学反应中的超快电荷转移。 至于这种自由电子激光器的体积，Hidding团队表示，如果用来产生尾波场的电子来自一个等离子体装置，那么它的大小可能只有几十米。等离子体装置是用激光而不是粒子加速器来产生尾波场的。与射频线性粒子加速器相比，这种激光尾波场加速器产生的电子束具有更高的能量分布和发射率，然而，这些电子束虽然不适合硬 X 射线的产生，但足以应用于另一种等离子体设备。 实际上，他们认为这样的串联等离子体加速器可能使硬 X 射线 FELs“无处不在地被用作探测等离子体、核或高能物理的诊断手段”——可能被放置在中等规模的大学实验室和教研医院中。但是他们描述，这项技术的实际应用还需要若干年研究。
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  • 《探索 | 量子材料新视角》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2023-04-17
    • 近日，科学和技术设施委员会（简称STFC）中心激光装置（简称CLF）首次通过阿尔忒弥斯实验室（简称Artemis）发表论文。该论文表明，Artemis’1 kHz光束线的短光脉冲照射量子材料二硒化钽（1T-TaSe2），实时可视化材料内部电子和离子的运动，为研究其复杂行为提供了新角度。 图1 (a) 1T-TaSe2的CDW相星状晶格重构；(b) 未失真“正常”状态的表面投影布里渊区 (BZ)。红色虚线模拟费米表面，蓝色实线表示通过 TR-ARPES 测量的 BZ 的实验路径；(c) 激光光子能量的 TR-ARPES 实验示意图。 这一发现强调了晶格在驱动和稳定量子材料相变中的作用，使其设计具有独特电子特性的材料，并通过Artemis进一步研究内在动力学行为。 Artemis实验室，位于牛津郡哈维尔校区的，是一家前沿研究机构，致力于研究分子和新材料中电子的超高速运动。它于2021年末开放，对量子材料中电荷密度波（CDW）跃迁的行为产生了重要的见解。 量子材料具有独特的性质，一直是凝聚态物理学研究的热点。 为了理解这些材料中发生的基本相互作用，STFC实验室提供了包括超快激光源、 XUV 光束线和用于分子动力学、凝聚态物理学和成像的终端站。该设备是世界上少数几个能够记录和捕捉飞秒时间运动过程的设备之一。 因此，Artemis实验室的研究结果不仅促进了创新技术的发展，而且扩展了我们对光与物质相互作用中复杂物理现象的基本理解。 以上研究由巴斯大学Enrico Da Como博士牵头，并与米兰理工大学Charles James Sayers博士、意大利CNR-IFN Division of Padova国家研究委员会-光子及纳米技术研究所Ettore Carpene博士合作，最终发表在期刊《Physical Review Letters》。 Charles James Sayers博士是米兰理工大学超快光谱团队的研究员：“使用飞秒级别的超短光脉冲，如Artemis实验室的光脉冲，可以实时观察材料内部电子和离子的运动，从而深入了解多体相互作用。” 此外，Ettore Carpene博士说：“围绕量子材料最重要的科学问题之一是物质相变到有序状态的起源。” STFC中心激光装置、资深科学家Carlotte Sanders博士补充说：“我们非常高兴新实验室的建成、运行并得到有意思的研究成果。而且随着未来四年 HiLUX 升级，用户可以期待更多的新功能。这是一个非常激动人心的时刻。” “我们与巴斯大学、米兰理工大学和CNR-IFN合作非常愉快，期待与更多科学家合作。”
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