《物理評論快報》報道極端光學創新研究團隊在實現高度自旋極化光電子研究中的新進展

電子不僅具有電荷, 還具有內稟的自旋特性。產生具有高度自旋極化的電子源具有重要的科學意義,可以廣泛應用於手性系統等。目前產生自旋極化電子的方法主要通過光激發磁性材料（Fe、Co、Ni等）或非鐵磁性材料（如鹼金屬、鎢、GaAs等）得到自旋極化電子，這些方法得到電子自旋極化度通常較低。

北京大學物理學院、人工微結構和介觀物理國家實驗室「極端光學創新研究團隊」劉運全教授和龔旗煌院士等，實驗上測量了800nm和400nm圓偏振激光與Xe原子相互作用的多光子電離過程，通過冷靶電子離子動量譜儀，實現光電子能譜和動量譜的高精度測量。實驗上，他們發現在400nm波長條件下，測量到可分辨多光子特徵的電子能譜和動量譜結構，如圖1(a)。由於Xe原子具有很強的自旋軌道耦合效應，實驗上觀測到3/2P（紅色箭頭）和1/2P（白色箭頭）引起的能級分裂的動量分布和能量分布。而對於1/2P能級，在圓偏振激光作用下，可以選擇性激發自旋向下或自旋向上的電子如圖1（d），因此，通過1/2P能級可以實現高自旋極化度的光電子。

圖1 （a）實驗測量的Xe原子在圓偏振激光作用下光電子角分布，（b）理論計算角分布，（c）1/2P通道的光電子角分布，（d）3/2P通道的光電子角分布

理論上，課題組通過發展能夠包括磁量子數和角動量影響的強場近似理論，實現了圓偏振激光作用下多光子電離的光電子動量譜和能譜的數值模擬，得到與實驗一致的光電子動量分布。通過理論計算髮現，在圓偏振激光作用下，通過1/2P態，可以產生自旋極化達到90%以上的光電子，而通過3/2P態，自旋極化度最高僅為50%。

圖2 光電子的動量分辨和能量分辨的自旋極化度

該研究工作可應用於產生高自旋極化度的光電子源，這將可以為電子加速器、低能電子衍射(LEED)以及低能電子顯微鏡（LEEM）等提供高自旋極化的電子源，促進採用自旋極化電子束研究手性分子成像問題等等。研究工作發表在近期出版的物理評論快報上,論文題目為「Energy- and Momentum-resolved photoelectron spin polarization in multiphoton ionization of Xe by circularly polarized fields」【Phys. Rev. Lett.120, 043201(2018)】。博士生劉明明是該論文第一作者。該工作得到中國國家自然科學基金委、科技部、「極端光學協同創新中心」「2011計劃」量子物質科學協同創新中心等的支持。

編輯：安寧

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