電子如何引發原子及分子躍遷

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通過求解之前困擾很多研究人員的六維方程，美國內布拉斯加林肯大學（University of Nebraska-Lincoln）的物理學家可准確描述使電子從其軌道上逃逸的激光脈沖特性，並准確預測和操控電子運動。

 

我們很早就知道，一定強度的激光脈沖產生的能量可以使電子從其圍繞著原子快速旋轉的軌道上逃逸，即離子化。

 

美國內布拉斯加林肯大學領導的國際研究證明，電子離開氦原子的角度取決於激光脈沖電場是左旋電場還是右旋電場，即它是逆時針旋轉還是順時針旋轉。研究人員還計算了這兩種情況下電子逃逸角度的不同范圍。

 

研究人員將此效應稱為「非線性二色性」（nonlinear dichroism），他們進一步證明該效應僅當原子受到一束超快的強烈激光脈沖照射並且其電場為橢圓形時才會出現。

 

這項研究成果發表於Physical Review Letters雜志。文章特別指出，能產生這一效應的激光脈沖持續時間不超過2*10^-16秒。以2*10^-16秒的時間間隔從0數至1秒，需要花上約1.585億年，這比地球從侏羅紀進化至今的時間還要長。

 

「激光原子物理學的目標就是控制電子運動並成像。」本文的共同作者、物理學教授Anthony Staraces說道，「為了實現這一目標，我們需要時間尺度比電子運動還要快的探針。」

 

Starace同時注意到，超快激光脈沖與其引起的量子尺度相互作用會使許多實驗結果的機理變得難以理解。

 

「整個過程在如此短的時間內發生，實驗者往往也不知道自己得到的結果是什麼。」Starace說道，「他們無法觀測到電子如何引發原子及分子躍遷。因此，他們需要清楚如何觀測，如何得到正確的觀測結果。」

 

Starace說道，此項工作有助於激光物理學家了解這些普遍存在的基本問題。

 

「超快激光脈沖現已用於電子過程的計時。」Starace說道，「日常生活中我們一般使用分鐘作為時間尺度，而電子運動往往在極短時間內發生。但到底是10^-17秒、10^-16秒還是10^-15秒，我們無從得知。如果我們能夠了解，就可以從理論上真正弄清楚電子躍遷的具體經過。」

 

Starace說道，通過識別和測量非線性二色性，我們的研究可以使量子物理學家更好地描述實驗中產生的激光並驗證實驗結果。

 

「實驗者通過測量這一新效應，就會知道激光脈沖的持續時間、脈沖的極性以及產生的電場形狀等問題。」Starace說道，「這些都可以表征激光脈沖特點。」

 

Starace說，本研究表明人們朝著激光物理學的最終目標更進一步，即操控宇宙中物質最基本的構成部分。

 

「如果實驗最終可以產生這一脈沖，該新效應可使實驗者能夠操作電子的運動方式。」Starace說道，「如果使用10^-18級這種具有特殊極化率的激光脈沖去轟擊一個目標，我們可以識別電子的運動方式。這就是人們的夢想——不僅僅是觀察，而且要實際操控電子的運動。」

 

物理學助理教授Jean Marcel Ngoko Djiokap在本次研究中負責編寫受激光影響的電子相互作用以及多維電場中電場復雜度的程序代碼。

 

「通常情況下，理論上電場只在一個方向上振蕩，這降低了計算的難度。」Starace說道，「當極化為橢圓形時，電場在一個平面內自轉。這進一步增加了問題的難度，也大大增加了計算量和計算難度，但Marcel很好地解決了這個問題。」

 

Starace將該團隊的計算方法比作去坐一個由激光脈沖產生的電場這一橢圓形旋轉木馬。他還說道，從這一角度切入並進行計算可以簡化問題，而從外部靜止的觀測卻不能。

 

「假設一個人坐在旋轉木馬上，線外的人們看到他在轉動，而他相對於木馬是靜止的。」Starace說道，「Marcel的工作就是將實驗室框架下的計算平移到此旋轉框架內，所以我們觀測的都是線性極化的一維光。因此所有的問題都迎刃而解了。」