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【科研进展】研究生院王旭课题组在《物理评论快报》发表原子隧穿电离研究的最新工作


  在量子力学中,隧穿作为一种量子效应,是电子等微观粒子能够穿透过其能量不足以克服的墙壁(学名“势垒”)的现象(图一)。在经典力学框架下,能量低于势垒高度的粒子不能穿过势垒,会被全部反弹回去;而在量子力学描述中,这些粒子则有一定的几率通过隧穿效应出现在势垒的另一侧。隧穿几率由势垒的形状(如高度、宽度)和粒子的能量决定。

         

图一 量子隧穿示意图(来源于网络)

量子隧穿效应在很多物理现象和应用中起到关键的作用,如扫描隧道显微镜利用电子的隧穿效应观测样品表面形貌;处于强激光场中的气体通过隧穿效应失去电子被电离,形成等离子体;为太阳发光提供能量的核聚变反应、中物院神光III激光核聚变装置以及国家重大科学工程ICF(惯性约束核聚变)着力研究的可控激光核聚变反应,都需要相互碰撞的轻核(如氘、氚)通过量子隧穿效应克服相互间的库仑排斥势垒结合成重核(如氦),发生核聚变反应同时放出能量。

虽然量子隧穿的结果和隧穿几率都很明确(一部分粒子出现在了势垒的另一侧),但是隧穿的物理过程并不十分清楚。一些看似很明显的问题却很难回答,比如:粒子穿过势垒需要多长时间?粒子刚从势垒中“钻出来”的时候速度是多少?



图二
强激光场中原子隧穿电离示意图。灰色虚线为库仑势,黑色实线是库仑势与激光电场线性势的总和势。这个总和势形成一个势垒,电子可以从该势垒下隧穿出去。

强场原子隧穿电离为量子隧穿提供一个新的研究系统(图二)。借助于强场领域独特的实验技术和方法——超高时间分辨率(亚飞秒甚至阿秒尺度,1飞秒=10-15秒,1阿秒=10-18秒)——我们可以获得一些对量子隧穿效应新的理解。比如近几年的两个实验,分别来自于瑞士苏黎世联邦理工学院【A. N. Pfeiffer, et al., Phys. Rev. Lett. 109, 083002 (2012)】和北京大学【X. Sun, et al., Phys. Rev. A 89, 045402 (2014)】,试图回答上面提到的第二个问题:电子刚从势垒隧穿出来的时候动量(速度)是多少?是否等于零(因为隧穿出口的动能等于零)?由于强场实验具有较高的测量精度,因此可以通过远场探测得到的电子动量分布反推隧穿出口的电子动量分布。然而,两个实验却给出了相反的结论:瑞士研究组利用氦原子做的实验给出的结论是电子在隧穿出口的动量不为零,大约等于0.8 a.u.(原子单位);北大研究组利用氪原子做的实验给出的结论是电子在隧穿出口的动量几乎为零,小于0.1 a.u.

在这篇《物理评论快报》文章中【J. Tian, X. Wang, and J. H. Eberly, Phys. Rev. Lett. 118, 213201 (2017)】,我们从波函数概率流的角度仔细分析隧穿出口的电子动量问题。借助波函数概率流的概念,一些与隧穿过程相关却难于定义的物理量,如隧穿时间和隧穿出口的动量,可以得到最直观、最具物理图像的定义。这篇文章的主要得到两个结论:一是虽然隧穿出口的电子动能为零,但是动量却不一定为零;二是隧穿出口的电子动量是一个随着激光参数和原子种类改变而发生变化的物理量。利用与上述两个实验相同的激光和原子参数,我们的数值模拟结果(图三)和两个实验结果均符合,从而合理地解释了这两个看似矛盾(实则并不矛盾)的实验结果,澄清了强场领域内数年来对该问题的疑惑。



图三
隧穿出口动量的数值模拟结果。(左列)氦原子结果,(右列)氪原子结果。

(上行)激光椭圆偏振度为0.2,(下行)偏振度为0.5

中物院研究生院王旭副研究员为该文章的共同通讯作者。论文的合作者为美国罗切斯特大学的田行健博士和J. H. Eberly教授。该工作得到科学挑战专题的大力支持。