科技日?qǐng)?bào)記者 劉志偉 通訊員 楊婷婷

12月13日，記者從中科院武漢精密測(cè)量院獲悉，該院柳曉軍團(tuán)隊(duì)與合作者提出了一種新穎的、完全基于離子碎片探測(cè)的分子阿秒角條紋（亦稱分子“阿秒鐘”）方案，并采用該方案首次對(duì)氫氣分子強(qiáng)場(chǎng)電離過程中的電子隧穿時(shí)間進(jìn)行了精密測(cè)量，給出了該時(shí)間的上限為10阿秒（1阿秒=10的負(fù)18次方秒）。相關(guān)工作發(fā)表在物理學(xué)權(quán)威雜志《物理評(píng)論快報(bào)》上。

量子隧穿效應(yīng)是指在微觀世界中，電子等微觀粒子能夠穿越高于自身能量位壘勢(shì)的“奇異”行為。量子隧穿效應(yīng)是微觀粒子呈現(xiàn)出來的基本量子特性，無法用經(jīng)典力學(xué)的觀點(diǎn)進(jìn)行解釋。量子隧穿對(duì)理解眾多自然現(xiàn)象，如恒星核聚變，放射性衰變等起著至關(guān)重要的作用，同時(shí)也是掃描隧道顯微鏡等現(xiàn)代科學(xué)儀器的物理基礎(chǔ)。盡管如此，自量子力學(xué)建立以來，關(guān)于量子隧穿的一個(gè)基本問題，即它的發(fā)生是否需要時(shí)間卻飽受爭(zhēng)議。

圖為科研人員用于探測(cè)研究的離子-電子關(guān)聯(lián)動(dòng)量譜儀

強(qiáng)激光場(chǎng)中的原子分子為研究量子隧穿的阿秒時(shí)域特性提供了一種獨(dú)特的“人造隧穿”體系。原子分子的外層電子在強(qiáng)激光場(chǎng)作用下會(huì)通過隧穿電離方式逃逸出去，通過精密探測(cè)隧穿電子動(dòng)力學(xué)行為，可以在阿秒時(shí)間尺度下探究量子隧穿是否需要時(shí)間（即隧穿時(shí)間）這一基本物理問題。為此，研究人員在近年提出了一種行之有效的“阿秒鐘”方案，通過將隧穿時(shí)間轉(zhuǎn)化為隧穿電子發(fā)射角度的偏轉(zhuǎn)，從光電子譜中讀取隧穿時(shí)間信息。有意思的是，過去十多年來，不同研究小組基于“阿秒鐘”方案，結(jié)合不同原子體系開展研究得到的結(jié)論卻大相徑庭：隧穿電離或許瞬間發(fā)生，或許需花費(fèi)百阿秒量級(jí)的時(shí)間。

圍繞研究領(lǐng)域存在的這一爭(zhēng)議，柳曉軍團(tuán)隊(duì)及合作者提出了一種新穎的、基于離子碎片測(cè)量的分子“阿秒鐘”方案，將隧穿時(shí)間測(cè)量首次拓展到分子體系。在他們的方案中，一方面，通過巧妙利用分子強(qiáng)場(chǎng)電離伴生的碎解離子動(dòng)量分布對(duì)驅(qū)動(dòng)激光的偏振狀態(tài)進(jìn)行原位測(cè)量，避免了傳統(tǒng)方案中因激光偏振方向標(biāo)定對(duì)隧穿時(shí)間信息提取的可能影響；另一方面，通過光離子發(fā)射角度的偏轉(zhuǎn)讀取隧穿時(shí)間信息，避免了傳統(tǒng)“阿秒鐘”方案通過電子發(fā)射角偏轉(zhuǎn)讀取隧穿時(shí)間對(duì)物理模型的依賴。

研究團(tuán)隊(duì)將該方案應(yīng)用于氫氣分子的強(qiáng)場(chǎng)隧穿電離研究，實(shí)驗(yàn)測(cè)量到的光離子發(fā)射角度偏轉(zhuǎn)與第一性原理計(jì)算結(jié)果很好吻合，基于該測(cè)量方案得到的隧穿時(shí)間上限為10阿秒，這與前人基于氫原子隧穿電離研究得到的隧穿瞬間發(fā)生的結(jié)論一致。分子“阿秒鐘”方案可望拓展用于其他復(fù)雜分子體系，進(jìn)一步研究如分子結(jié)構(gòu)、分子軌道對(duì)稱性等復(fù)雜分子特性對(duì)強(qiáng)場(chǎng)隧穿電離過程的影響，進(jìn)而深化對(duì)量子隧穿時(shí)間相關(guān)問題的認(rèn)識(shí)。

在這一研究中，精密測(cè)量院全威研究員主導(dǎo)開展了實(shí)驗(yàn)測(cè)量工作，俄羅斯薩爾托夫州立大學(xué)Serov博士與澳大利亞國(guó)立大學(xué)Kheifets教授開展了相應(yīng)的理論計(jì)算工作；Kheifets教授與柳曉軍研究員是該論文的共同通訊作者。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中科院先導(dǎo)B專項(xiàng)的資助和支持。