宫晓春：阿秒电子动力学超快精密测量

      我叫宫晓春，我做的跟我们的量子计算稍微有点远，但是我们这里面也涉及到了很多理论计算，我这面做的主要是叫阿秒电子超快动力学，跟大家常规认识的时间尺度可能会有点不太一样。

      我们归根结底来说叫超快，超快就是现在大部分直观运动里最快的，我们研究的最终目标是想要在时间上到达最短的极限尺度。

      物质内部电子运动时间是在阿秒时间尺度，所以我这部分研究内容就是想要通过一些方法，去观测电子怎么运动的，跟周围光场是如何相互作用。在研究这个过程中也发展了一些技术，同时也在把他们向外扩展应用。

      我汇报内容主要包含以下三个方面，首先简要归纳一下，目前超快领域里正在发展的几项比较核心关键技术。然后再跟大家简单介绍一下，围绕阿秒超快，我自己做了哪些研究内容。

      首先，到目前为止，正在发展的超快技术，根据它的媒介，我这里分类了，比如说超快的驱动阀门或者驱动开关是一个光子，围绕着光子光源，包括桌面化的 EUV或XUV阿秒光源，实验室中通过一束激光打到特定材料内，可以释放出一些时间上特别短的光脉冲，比如阿秒脉冲。这个阿秒是多少呢？是10的-18次方，而飞秒是10的-15次方，皮秒是10的-12次方，仄秒是10的-21次方。这阿秒是在电子的运动尺度，仄秒是原子核内部核元素激发跃迁相关联的时间尺度。所以为探究光化学生物信息传递，原子分子与光相互作用中电子运动的时候，就可以围绕阿秒光学去探索。

      除了桌面化的EUV光源或者光子媒介，还有以电子触发的，即超快电子束，就是在实验上产生一些电子，把这些电子进行电磁囚禁加速压缩，制备成成一个超快电子脉冲。这部分上海有多家单位在这方面有开展布局，做的也很好。上交、清华一直都在做超快电子束的制备，以及用超快电子束去研究一些物质内部超快过程。

       电子束做超快物性测量的最大的特征就是，电子可以直接去跟物质内部的原子核相互作用发生衍射，有很高的空间分辨率，进一步与激光结合可以开展光激发时空高分辨研究；把电子和光子两种媒介都利用起来去探究物质里面的一些特性，前一阵子有一个漂亮的工作，是激光诱导一些物质内部超导特性转化。

       围绕着在电子以及桌面化EUV光源，阿秒光源之间还有一个大型的设备，比如说现在李儒新院士他们正在做的一些硬线软线大科学装置，XFELs，超强超快激光光源及其驱动的THz。XFELs自由直线电子加速器，可以产生跟桌面化光源类似的在 x射线波段或者基紫外波段的光源，它的特点是光波波长连续可调谐，光子通量特别高，可以驱动非线性X射线光学，甚至做生物大分子蛋白以及病毒结构相干衍射成像，比如说对一个蛋白质结构进行解析以及结构成像。

       但是XFELs光有个局限性，就是它时间上的抖动以及时间相干性，时间分辨精度相比桌面化光源有较大差距。总体上各有优势。

      为什么我们要去造这么短这么快的光？我们要去在探测很多基础的物理过程，希望把实验探测手段推到极致，在最短的时间最小的空间里去探索一些极端的物理现象。

      目前我是围绕着第一项，基于阿秒光源做一些研究。桌面化的阿秒光，它的产生过程，其实很简单，就是把一束非常强的光聚焦到一个媒介中，在这个过程中会产生一些高阶非线性效应。不仅仅是二阶、三阶，而是数百阶的高次谐波的产生。在这个过程中，你可以去想象，它出来的光子是原来入射光子的数百倍，原来如果只有1.5个电子伏特进去，出来100倍的话就150个电子伏特，

       你可以算一下它的波长就在几个纳米。比如说我们当下紧缺的13.5纳米，如果说是要产生13.5纳米，其实就是这样一个过程。当然光刻机里面用的13.5纳米是一个时域非相干光源，它需要的是空间上相干性。但是我们这里，因为它是从由一束激光在这里发生一个相干辐射过程，所以辐射的极紫外光源它具有空间相关性，也有时间相关性，它既可以做时间相干性研究，也可以做很多结构成像研究，例如超快相干衍射成像，生物分子结构层析，半导体芯片结构检测。为现在在整个半导体行业世界水平上，加工工艺是超过检测工艺的。

      阿秒科学是在这过去20年发展出来的一个新的方向。激光辐照原子分子时，从一个原子或者分子内部可以辐射出电子，比如说红色的部分电子发生了隧穿电离，在光场的驱动下与原子和分子发生重碰撞，退激发辐射出极紫外X射线光。

      物质的电离过程中，比如说在隧穿电离以及在光场中的传播，它携带了这些物质原始的结构信息，所以高次谐波光谱就可以用来探究物质结构对称性、电子轨道成像等。当下高次谐波光谱主要推广到固体材料领域，用来探测低维材料，拓扑绝缘体以及其他常规半导体材料的能带，电子关联、电声耦合以及贝利曲率曲率等等。

      基于这些物理过程，可以做各种各样的极紫外光源，除了产生 x射线光源，还可以在任意波段从五六个电子伏特调到五百个电子伏特，甚至keV，也就是从一纳米可以调到200纳米，根据实际研究需求去拓展。这个过程中对前端驱动激光有很大的依赖性，产生5个电子福特的光，一个比较简单的激光器就可以。

       如果是一个keV光源，就需要非常昂贵的中外光源，可以直接应用于生物成像，去研究光辐射损伤、DNA损伤、DNA突变、等等一些非常核心的生物物理问题。那么有了这样一个阿秒光源，除了光谱之外，它还可以从电子谱上你可以把它看成一个示波器，那么它的时间轴是飞秒量级，但是时间分辨率是阿秒的。平时拿个示波器，可以看看元器件里面的纳秒光电响应，用阿秒新方法，就可以把物质内部电子的运动测量出来，相当于建立一个新的显微镜，可以把物原子分子凝聚态体系的一个电子用这样一个显微镜给量出来。

     围绕着阿秒光在原子分子阿秒超快电子动力学测量方面，我们发展了原子阿秒分波干涉仪，突破常规上对光电子测量是所有分波相干叠加的局限，可以使光电子测量回归到每一个分波的测量层面。进一步针对电子末态，由不同的路径过来，经过双缝或者说是多路径干涉，我们在这边发展的一些方法，能够去分辨这些多路径电子的分波干涉。以及在强激光场里面的构建阿秒时钟去探测隧穿电离过程。

     在分子体系，我们在分子内部观测电子隧穿不对称性，发展分子坐标系观测方法，以分子内部原子核为参考点，观测分子里面的电子电离的时间快慢，也就是说分子内部电子在出去的时候，沿不同方向电离的时候，实际上时间是不一样的，这与分子构型、势场分布有很大关系。

     同时我们还在团簇体系发展了阿秒团簇尺寸分辨光谱技术，填补从原子分子到凝聚态体系阿秒电子测量的空白。

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