利用同步辐射跟踪超快原子内电子运动

 
 大气运动的艺术家概念

日本科学家已经观察到并干扰了氙原子内部电子运动的超快运动在同步加速器辐射中使用相干的短光波对。氙气是由闪光灯所用，它由一个原子核和一个由五个嵌套壳构成的核包围，这些壳中总共包含54个电子，它被用来快速发光。发光电子以十亿分之一秒的时间尺度移动到那里。但是，快速的电子运动比科学家观察到的慢了六个数量级。他们使用分子科学研究所的同步加速器设备，通过从外壳向内壳的下落，以松弛的方式跟踪电子运动以释放能量。该过程的发生时间为飞秒，即十亿分之一秒的百万分之一。飞秒是几秒钟，一秒是差不多3200万年。

结果于2021年3月17日在《物理评论快报》上发表。

 

图1.(a)起伏器产生同步加速器辐射的示意图。辐射脉冲的时间宽度取决于电子束的空间展宽。(b)辐射脉冲包含由单个电子发射的许多短波(波包)。在本研究中，两个波荡器串联排列以生成成对的波包。每个波包在2飞秒内仅振荡10次。通过用两个起伏器之间的磁铁绕开电子束来调整波包对的时间间隔。信用：NINS / IMS

该论文的作者Tatsuo Kaneyasu说：“以原子的自然时间尺度控制和探测原子和分子中的电子运动，这是飞秒的千分之一，这是原子物理学和阿秒物理学的前沿领域之一。” SAGA光源，日本九州同步加速器光研究中心。“在这项研究中，我们证明了利用辐射波包的超短特性可以追踪原子和分子中的超短过程。”

激光技术的最新进展使我们能够产生可与亚原子过程相互作用的超快速或超短双光脉冲。可以通过精确调整每个脉冲之间的时间来控制这种干扰。脉冲激发电子，其运动被称为电子波包。Kaneyasu和他的团队已经使用同步加速器辐射实现了这项技术，该技术在产生比激光器更高的能量光子方面具有很大的优势。

Kaneyasu说：“这种被称为“波包干涉测量法”的方法现在是研究和操纵物质量子动力学的基本工具。” “在这项研究中，电子波包是通过在氙原子上叠加一些电子态而产生的。”

图2.顶部面板显示了随着波包对时间间隔的变化而测得的氙原子内壳激发态的荧光强度。下部面板在顶部面板中的位置a和b处显示放大的视图。由于波包对激发的量子态之间的干涉效应，观察到周期为63阿秒的波动。随着成对的两个波包之间的时间间隔增加，由于内壳激发态的电子弛豫，波动的幅度衰减。信用：NINS / IMS

就像两个重叠的光束如何产生比单独发射的光束更强的光一样，两个重叠的电子波包产生量子效应。

Kaneyasu说：“最终目标是控制和探测各种元素的超快电子运动，这些运动不仅在气相的原子和分子中，而且还在凝结的物质中。” “同步辐射的这一新功能不仅可以帮助科学家研究原子和分子过程中的超快现象，而且将来还可以在功能材料和电子设备的开发中开拓新的应用。”

合著者包括富山大学人文科学学院的H. Hakasaka;分子科学研究所的藤本M.，岩谷宏H.和卡托M. Katoh。Fujimoto和Iwayama也隶属于高级研究大学。加藤还隶属于广岛大学广岛同步辐射中心。国立自然科学研究所的前沿光子科学项目和日本科学促进会资助了这项工作。