圖：精密光譜科學與技術(shù)國家重點實驗室吳健教授（右）與博士研究生張文斌（左）
柳暗花明：兩年反復試驗探索終得突破
據(jù)研究團隊成員介紹，這項研究成果從最開始實驗數(shù)據(jù)獲得到最終文章發(fā)表歷時將近2年。2017年初，研究團隊發(fā)現(xiàn)強激光場作用下產(chǎn)生的中性里德堡原子和帶電的粒子一樣可以被探測器探測到。然而，他們分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)中性里德堡原子的原子核能譜出現(xiàn)了奇怪的尖銳峰結(jié)構(gòu)，這與之前研究人員提出的常規(guī)的受挫隧穿圖像的預測結(jié)果很不一樣。
在這之后很長的一段時間里，研究團隊進行了多次討論和分析，不斷提出新的物理解釋，但又很快被自己否定。但他們并沒有因此放棄，而是不斷提高測量的精度和分辨率，并測試不同的物理條件下里德堡態(tài)的激發(fā)過程，希望可以了解里德堡態(tài)激發(fā)背后真正的普適的物理機制。在經(jīng)歷了數(shù)不勝數(shù)的實驗以及反復討論后，吳健教授團隊最終發(fā)現(xiàn)，當把電子與原子核關(guān)聯(lián)起來考慮時，所有問題都迎刃而解了。
高激發(fā)的中性里德堡態(tài)原子之惑
超快強激光作用下，原子或分子內(nèi)的束縛電子將從光場中吸收光子能量發(fā)生電離。根據(jù)激光強度的不同，電子的超快電離可以理解為多光子電離或量子隧穿機制。近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)，在強激光場作用下，電子有一定的概率不被電離而被囚禁在里德堡態(tài)，形成穩(wěn)定的中性里德堡原子分子。里德堡原子分子在精密光譜與精密測量、量子非線性光學、非平衡量子多體動力學、量子計算與量子信息等交叉研究前沿中有許多重要的應用。
作為產(chǎn)生里德堡原子分子的重要手段之一，強激光誘導里德堡態(tài)激發(fā)在中性原子加速、近閾值諧波產(chǎn)生、低能光電子譜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生以及多光子拉比振蕩等強場物理現(xiàn)象中同樣有著重要的應用。經(jīng)過不斷的科學探索，研究人員提出強激光誘導里德堡態(tài)激發(fā)的物理機制與原子分子電離機制類似，可以用多光子共振激發(fā)或受挫量子隧穿圖像來解釋。
然而，自從強激光誘導里德堡態(tài)激發(fā)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來，強激光場作用下產(chǎn)生里德堡原子分子的物理機制一直在多光子共振激發(fā)機制和受挫隧穿機制二者之間飽受爭議。其主要原因是，在過去的研究中，里德堡原子分子激發(fā)過程中電子與原子核之間的關(guān)聯(lián)效應一直被忽略。
分子內(nèi)電子－核關(guān)聯(lián)效應激發(fā)新通道
基于此前發(fā)展的中性里德堡原子探測技術(shù)，吳健教授團隊提出利用紫外飛秒強激光脈沖與氫氣分子相互作用，開展強激光誘導里德堡態(tài)激發(fā)過程的實驗探索。實驗揭示了多光子共振激發(fā)為強激光誘導里德堡態(tài)產(chǎn)生的普適機制。
實驗結(jié)果顯示，里德堡態(tài)多光子共振激發(fā)時的核間距要小于發(fā)生共振增強電離時的核間距。另外，由于斯塔克位移效應的影響，發(fā)生里德堡態(tài)共振激發(fā)處的核間距大小隨著激光強度的增加而變大。這一變化將影響電子與解離原子核之間的分配比，從而引起里德堡原子的能譜結(jié)構(gòu)隨光強的變化。當光強達到一定強度時，氫氣分子雙電離通道和里德堡原子激發(fā)通道的解離原子核能譜變得非常相似。
這一現(xiàn)象表明，多光子共振激發(fā)機制作為強激光誘導里德堡態(tài)產(chǎn)生的普適機制，同樣可以很好地解釋受挫隧穿電離理論的預測結(jié)果。該項研究揭示了分子內(nèi)電子－核關(guān)聯(lián)效應在里德堡原子產(chǎn)生的過程中的重要性，極大深化了我們對強激光誘導里德堡態(tài)激發(fā)這一基本物理行為的認識，為強場里德堡原子分子激發(fā)的相干調(diào)控提供了新方法和新思路。
圖： 吳健教授課題組成員
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