量子遂穿是量子力學(xué)基本問(wèn)題之一，通過(guò)對(duì)量子隧穿電流的測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)原子尺度的表面成像，是隧道掃描顯微鏡的基本原理。但如何描述和測(cè)量電子在勢(shì)壘下的動(dòng)力學(xué)行為一直未得到深入研究，在原子波函數(shù)層次上，開(kāi)展量子遂穿的實(shí)驗(yàn)研究一直是比較困難的。在飛秒強(qiáng)激光和原子分子相互作用的過(guò)程中，激光場(chǎng)會(huì)將原子內(nèi)部的庫(kù)倫場(chǎng)壓低，形成了處于基態(tài)電子可以發(fā)生隧穿的勢(shì)壘，即隧道電離。自前蘇聯(lián)科學(xué)家L.V. Keldysh首次從理論上研究以來(lái)，該領(lǐng)域一直備受關(guān)注，因?yàn)樗淼离婋x是強(qiáng)場(chǎng)原子分子光物理以及阿秒物理的重要基石。然而目前的實(shí)驗(yàn)和理論一般都只關(guān)注于電子隧穿幾率，以及電子波包的振幅信息，完全忽略其初始相位，主要是勢(shì)壘下相位（sub-barrier phase）。勢(shì)壘下相位攜帶著光電子豐富的隧穿動(dòng)力學(xué)信息，卻至今仍然未被觀測(cè)到。

北京大學(xué)物理學(xué)院、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“極端光學(xué)創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)”的劉運(yùn)全教授和龔旗煌院士等，針對(duì)強(qiáng)激光場(chǎng)作用下原子的隧穿過(guò)程開(kāi)展深入研究，利用等強(qiáng)度的偏振正交的雙色飛秒光場(chǎng)（800nm + 400nm），深入研究隧穿電子干涉的干涉動(dòng)力學(xué)，提出了利用新型的“時(shí)空電子干涉儀”（圖 1）探測(cè)電子在隧穿過(guò)程中獲得勢(shì)壘下相位，揭示電子隧穿的動(dòng)力學(xué)信息。該工作利用先進(jìn)的冷靶反沖離子電子動(dòng)量成像譜儀（所謂COLTRIMS），清晰地測(cè)量了正交雙色光場(chǎng)下的光子周期內(nèi)干涉圖案（圖2），通過(guò)與理論模擬的對(duì)比【強(qiáng)場(chǎng)近似（SFA）,庫(kù)侖修正的強(qiáng)場(chǎng)近似(CCSFA)和數(shù)值求解含時(shí)薛定諤方程（TDSE）】，揭示出了光電子勢(shì)壘下相位的對(duì)干涉圖案的貢獻(xiàn)。研究結(jié)果表明勢(shì)壘下相位蘊(yùn)藏著的電子隧穿動(dòng)力學(xué)信息，對(duì)光電子干涉和光電子全息起著不可或缺的作用。該研究工作發(fā)表在近期《物理評(píng)論快報(bào)》上【“Revealing the sub-barrier phase using a spatiotemporal interferometer with orthogonal two-color laser fields of comparable intensity”, Phys. Rev. Lett. 119, 073201(2017）】。

 

 

 

 

 

 

 

圖1 等強(qiáng)度偏振正交的800nm和400nm激光的合成光場(chǎng)的時(shí)空結(jié)構(gòu)以及在激光場(chǎng)最大值處的量子隧穿示意圖

 

 

 

 

 

圖2 實(shí)驗(yàn)上測(cè)量到的在不同相位的 0π(a), 0.25π (b), 0.5π (c), 0.75π (d).正交雙色光場(chǎng)中光電子干涉圖樣

二年級(jí)博士生韓猛是該論文的第一作者。該工作得到中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、“2011計(jì)劃”量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等支持。