研究人員能將一個電子置於既不自由也不束縛的雙重態

由原子勢和強激光場混合形成的Kramers Henneberger勢的示意圖。圖片來源：日內瓦大學- Xavier Ravinet

原子是由電子繞著中心原子核運動而成的。利用強大的激光電場，電子也可以克服原子核的約束力而被強行拉開。半個世紀以前，理論家Walter Henneberger想知道是否有可能從激光場的原子中釋放出一個電子，但使它仍然留在原子核的周圍。許多科學家認為這個假設是不可能的。然而，最近日內瓦大學（UNIGE），瑞士物理學家和德國柏林MBI研究所成功證實了這個假設是可行的。這是他們第一次設法控制激光脈衝的形狀，讓電子既是自由的又束縛於原子核，同時能夠調節由激光穿過的原子的電子結構。而且，他們還讓這些不尋常的狀態放大了激光。他們還確定了一個禁區。在這個綽號為「死亡谷」的區域，物理學家們失去了對電子的控制權。這些結果粉碎了與物質電離作用有關的通常概念。該研究結果已發表在「Nature Physics」上。

自20世紀80年代以來，許多實驗試圖證實理論家Walter Henneberger提出的假設：電子可以處於既不自由也不受約束的雙重狀態。被困在激光器中，電子將被迫在其原子核前來回運動，因此會暴露於激光和核的電場中。這種雙重狀態可以控制暴露於原子核和激光電場中的電子的運動，並且可以讓物理學家通過調節光、電子結構來創造「新」的原子。但這真的有可能嗎？

利用電子的自然振蕩

激光的強度越大，就越容易電離原子——換句話說，就是將電子從其原子核的吸引電場中分離出來，並將它們釋放到空間中。 「但是一旦原子被電離後，電子就不會像火車離開站台一樣離開原子，他們仍然感受到激光的電場。」 日內瓦大學理學院應用物理系的教授Jean-Pierre Wolf解釋道。「因此，我們想知道，在電子從原子中解放出來之後，如Walter Henneberger的假設所暗示的那樣，是否仍有可能將它們困在激光器中並迫使它們停留在原子核附近。」他補充道。

要做到這一點的唯一方法是找到適用的激光脈衝的正確形狀，在電子上施加完全相同的振蕩，以便其能量和狀態保持穩定。「電子在激光場中自然會發生振蕩，但如果激光強度發生變化，這些振蕩也會發生變化，這迫使電子不斷改變其能級，從而改變其狀態，甚至離開原子。這就是為什麼看到如此不尋常的狀態如此困難的原因。」柏林MBI理論系教授Misha Ivanov補充道。

調節激光強度以避免死亡谷

物理學家們測試了不同的激光強度，以便從原子釋放的電子將具有穩定的振蕩。他們有一個驚人的發現。「與自然期望相反的是，激光強度越大，就越容易釋放電子，我們發現強度是有一個限制的，在這個限制下，我們不能再電離原子。」 Misha Ivanov說。 「超過這個臨界值，我們可以再次控制電子。」根據羅切斯特大學Joe Eberly教授的建議，研究人員將此限制稱為「死亡谷」。

證實了一個古老的假設，使物理學理論發生了革命性的變化

通過將電子置於既不自由又不受約束的雙重狀態，研究人員找到了一種方法來操縱這些振蕩。這使他們能夠直接在原子的電子結構上工作。正如Walter Henneberger所建議的那樣，經過幾次調整之後，日內瓦大學和MBI的物理學家首次能夠將電子從其原子核中釋放出來，然後將其捕獲在激光的電場中。 「通過應用每平方厘米100兆瓦的強度，我們能夠超越死亡谷的閾值，並在激光電場內的規律振蕩周期內俘獲在其母體原子附近的電子。」 Jean-Pierre Wolf激動地說道。作為對比，地球上太陽的強度約為每平方米100瓦。

「這使我們有可能選擇通過激光場創造具有新的電子能級的新原子。」Jean-Pierre Wolf解釋說。「我們以前認為這種雙重狀態是不可能產生的，我們剛剛證明是相反的，而且我們發現放置在這種狀態下的電子可以放大光線，這將強激光在氣體（如空氣）中傳輸的理論和預測中發揮基礎性作用。」他總結說。

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