超短激光脈衝作為電磁場可以驅動物質中電子的運動，並導致很多新奇的物理現象。近期，北京大學物理學院、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室“極端光學創新研究團隊”的彭良友教授和龔旗煌院士帶領團隊在超強超快物理領域裡取得了兩個重要進展。
他們提出了測量電子極小位移的新方法。隨著激光技術的不斷髮展，超快超強激光可以在飛秒的時間尺度（1飛秒=10-15秒）內作用於電子使電子產生約0.1納米（1納米=10-9米）量級的空間位移。利用超短超強激光脈衝，人們將可以實現分子尺度下的電子位置的超快及超高精度的位置控制。然而現有的探測技術，卻無法實現對電子如此微小位移的精確測量。
隧道掃描顯微鏡（STM）利用的電子量子隧穿信號能以0.1納米的橫向和0.01納米的縱向分辨率對靜止的原子進行成像，卻無法對運動中的電子進行成像。光電子顯微鏡（PEEM）成像系統雖然可以測量運動電子的位置，但是其最好的分辨率僅能達到約3納米，無法在0.1納米的尺度進行位移測量。
日前，該團隊利用強場電離中的時間雙縫干涉圖樣，提出對電子在激光脈衝下的微小位移進行測量的新方案，該方案的分辨率可達0.01納米。為了測量電子在超短脈衝作用下的位移，他們把導致電子位移的超短脈衝置於兩束較長反向旋轉的圓偏振光之間。兩束反旋向的圓偏振光先後分別電離電子，構成時間上的電子波包雙縫干涉，這在電子動量譜中產生渦旋結構。在沒有中間的超短脈衝時，該渦旋結構角向是均勻分佈的。當中間加入了一束任意的被測超短脈衝，它將作用於前一圓偏光電離的電子使之產生微小位移，這個微小位移使得電子波包獲得一個額外相位，從而導致先後兩個電子波包的干涉結構在角方向產生了非均勻性。
他們提出通過測量這個非均勻的角向分佈，可以準確地提取出電子在超短脈衝作用下產生的亞納米量級的微小位移。他們的方案對激光的焦斑效應以及兩束圓偏振光的相位抖動具有很好的抗干擾能力。該理論方案近期以“Proposal for measuring electron displacement induced by a short laser pulse”為題在線發表在《物理評論快報》上【Phys. Rev. Lett. 122, 053201, (2019)】，光學所的博士生肖相如為第一作者、彭良友教授為通訊作者。
左圖：新方案示意圖；右圖：測量方案給出的理論預測結果。
研究團隊近期還與吉林大學丁大軍教授領導的研究組緊密合作，理論提出並在實驗上實現了對橢圓偏振強激光橢偏率的原位測量新方案。他們利用兩束其它參數相同而旋向相反的橢偏光來電離惰性氣體氙（Xe）原子，強場電離得到的電子閾上電離譜和單電離離子總產率譜敏感地依賴於兩束光脈衝之間的延時。這些能譜和產率隨延時的週期性調製，能夠準確反映一個光學週期之中橢圓偏振光的電場強度的最小和最大值間的比值，因此可以用來準確提取每一束橢偏光的橢偏率。研究表明，這一橢偏率測量方案在很大的激光參數範圍內普遍適用，這一工作在準確表徵超快強激光場的性質方面邁出了重要一步，將對強場物理研究中精細操控原子分子內的超快過程起到重要推動作用。該項成果以“Accurate in situ Measurement of Ellipticity Based on Subcycle Ionization Dynamics”為題，於2019年1月9日發表在《物理評論快報》上【Phys. Rev. Lett. 122, 013203 (2019)】，吉林大學原子與分子物理研究所的王春成副教授、博士研究生李孝開，北大博士生肖相如為論文共同第一作者，北京大學彭良友教授、吉林大學丁大軍教授為該論文的通訊作者。
這些研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、北京量子信息科學研究院、極端光學協同創新中心等的重要支持。（來源：北京大學物理學院）
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