再碰撞物理學

2011年3月出版的Physics Today 上刊登了PaulB.Corkum 教授的一篇介紹再碰撞物理學的文章.PaulB.Corkum 教授來自加拿大渥太華大學和國家研究委員會的阿秒激光科學中心.他對"再碰撞物理學"的研究對象、發展歷史和未來展望做了深入淺出的描述和總結.本文以這篇文章為基礎,對再碰撞物理學做一個簡單的介紹.

從1906年盧瑟福用α粒子(氦原子核)轟擊雲母,從而發現原子的核式結構的著名實驗開始,碰撞就成為了探索物質結構的主要方案.一個世紀以來,從原子核物理到粒子物理的各種實驗都主要採用這種方法,尤其是近代加速器上各種新的基本粒子的發現,都得益於物質粒子被加速後的碰撞而產生.

在盧瑟福實驗整整50年後,人類發明了激光器.從那以後,激光被發現可以通過與物質相互作用來探測,甚至操控物質粒子.光學實驗的精確性,使得它在某些粒子物理問題的研究上比傳統碰撞方法更有優勢.

在再碰撞物理學誕生之前,光學方法和碰撞方法被認為是各自獨立的發展,互不關聯.但是再碰撞物理學的誕生使二者走到了一起.再碰撞物理過程是指利用激光將原子或分子中的一個電子電離,然後在激光場驅動下回頭並與之前失去該電子的離子發生碰撞的物理過程.傳統的碰撞物理依賴於加速器將電子等粒子加速,通過調整加速器內磁場來製造碰撞.再碰撞物理學採用激光來電離原子(或分子),再通過電離出的電子回頭碰撞並融合來研究該原子(或分子)的結構.

產生再碰撞物理過程需要很強的激光(1013W/cm2),因此是強場激光物理研究的領域.一個相干的紅外強激光可以讓價電子的波函數產生部分電離,稱為"隧穿電離".此時電子的波函數被分為兩部分:一部分是與原來的原子核組成的束縛態的波函數;另一部分是隧穿電離波包.電子再碰撞的過程,可以描述為該隧穿電離波包和束縛態的波函數的重新組合.整個再碰撞過程存在兩次相干性的傳遞:一次是部分電離過程使得束縛態波函數的相位傳遞給隧穿電離波包;另一次是融合使該相位再通過電子傳遞給輻射出的紫外光場.通過再碰撞過程產生的信息可以用來研究原子、分子甚至固體的結構.

圖1為基於再碰撞物理過程,尤其是隧穿電離波包的掃描隧道顯微鏡(STM)技術,它可用來探測原子或分子的結構.

圖1 基於再碰撞的掃描隧道顯微鏡原理(a)沿x 軸偏振的強激光使與其成45°的氧分子在x 方向產生一個隧穿電離波包(黑線為激光傳播方向),紅色和藍色條紋代表隧穿電離波包的波峰和波谷(見《物理》網刊彩圖,下同);(b)當氧分子與激光呈0°或90°時,與45°相比,隧穿電離波包的極大值點會成為極小值點;(c)當氧分子固定時,讓探測器與x 方向垂直,調整激光束的方向可以使隧穿電離波包在探測器上呈不同的像,從而獲得氧分子價電子波函數的圖像

除STM 技術以外,再碰撞物理過程還可以用來製作電子干涉儀.即利用隧穿電離波包和束縛態波函數之間的相干性產生干涉條紋(見圖2).隨著再碰撞過程的發生,該干涉條紋會產生振蕩,產生一個振蕩的偶極子並向外輻射紫外光.這個物理過程製造了一個電子干涉儀,即把隧穿電離過程看成一個電子波函數分束的過程,強激光場的反轉使隧穿電離波包和束縛態波函數產生一個相位延遲.再碰撞過程使得隧穿電離波包和束縛態波函數發生干涉,成為一個電子干涉儀.該相位的延遲由強激光的波長、傳播方向、反轉時間等參數決定,因此是一個可操控的電子干涉過程.

利用重碰過程還可以實現對分子軌道的層析成像.要在實驗上得到這樣的成像,我們首先需要探測單分子諧波譜.對於中等濃度的對稱結構分子氣體,其相位匹配輸出強度對應於單分子的反應,因此我們得到的宏觀信號直接顯示單分子或原子的物理過程.另外需要控制探測分子的取向,這一點,我們可以利用激光技術實現分子系綜相對於激光偏振方向的任意取向.由此,就可以對任意方向的分子軸實驗測量相應的高次諧波譜,從而實現對分子的結構成像.

圖2 (a)上方的圖為束縛態波函數ψb和隧穿電離波包ψc的總波函數,下方為總波函數的模方,即電子的概率密度.紅色箭頭代表偶極子的方向;(b)在隧穿電離波包傳播半個周期之後,偶極子反向.隨著隧穿電離波包連續地傳播,該偶極子產生連續振蕩,並向外輻射紫外線

再碰撞物理學目前正處於起步階段.由於再碰撞過程需要的是電子的部分隧穿電離,因此很適合直接應用現有的超快強場激光技術.

再碰撞物理學與之前的超快激光物理有著兩個顯著的不同點,一個是它可以在廣泛的時間尺度下加以研究,而光化學等超快過程只限制于飛秒量級.第二個不同點是再碰撞是隧穿電離的電子和失去它的原子變成的離子二者碰撞,因此可以用該電子來探測該離子的運動狀態.這樣能彌補用激光探測離子方法時存在的一些盲點.

再碰撞物理學目前的不足之處在於強激光本身的限制,即它只能研究時間和空間尺度小於激光周期和波長的尺度,即隧穿電離時間小於一個激光周期,隧穿電子反轉前的傳播長度也小於一個激光波長.再碰撞物理學更像是阿秒科學的一個開端研究方向.

再碰撞物理學一個可預見的前沿是增加激光的光強,這有很長的路要走.更高的光強可以導致一個電子在隧穿電離過程中吸收更多光子,從而增加隧穿電子的能量,即減小隧穿波包的波長來增加探測解析度.如果光強增加到足夠激發核反應,則可通過再碰撞研究實時核動力學.

再碰撞物理學另一個可預見的前沿是固體物理中的應用,即從固體中直接隧穿電離出電子,並與固體再碰撞.這個研究方向和目前隧穿電子只和氣體中單獨原子或分子的再碰撞研究不同,成為一個嶄新的方向.總之,再碰撞物理學在阿秒激光時代將具有非常好的研究前景.

(中國科學院物理研究所王如泉摘譯自Physics Today,2011,(3):36)

本文選自《物理》2011年第3期

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