近期，北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室“极端光学创新研究团队”的彭良友教授和龚旗煌院士与德国法兰克福大学Dörner研究组、深圳大学的姜维超助理教授、维也纳工业大学Burgdörfer教授合作在氦原子双电离研究方面取得了重要进展。

       当前，多个实验室和重大科学设施致力于产生各种新型光源，包括自由电子激光和台式超短强激光脉冲，利用这些光源与物质的相互作用，很多崭新的物理机制不断被人们发现和认识。随着光源和探测技术的发展，大光子能量下的光电离过程成为新的研究对象，当光子波长和电子运动尺度可比拟时，非偶极效应将不可忽略，为理论计算和实验测量带来了新的挑战。另外，在强XUV脉冲作用下的理论计算在稳定性和复杂度方面也提出了更苛刻的要求。 彭良友教授和龚旗煌院士等长期致力发展系列数值方法精确求解少电子原子分子体系的含时薛定谔方程，开发了数套大规模并行计算程序，部分程序的运行效率和计算精度达到了业界领先水平。在原有工作的基础上，此次他们将氦原子双电离的程序分别拓展到能精确处理任意偏振光下电离时的非偶极效应以及高强度XUV脉冲下的双电离过程。

图一：理论预测的两个电子和离子所获得的线动量随光子能量的变化与实验测量的比较

       在第一个工作中，当考虑了光的非偶极作用以后，光压和光子线动量对电离过程的影响便能得到精确研究，氦原子单光子双电离时光子线动量在离子、两个电子三者间如何转移和分配是一个重要问题。团队利用新开发的包含非偶极效应的全维含时薛定谔方程计算程序，精确计算了氦原子单光子双电离过程中的离子、电子在激光偏振方向所获得的动量及能量的一阶微分谱，其结果与德国合作组的实验测量数据高度吻合。进一步的分理论分析表明，双电离的电子动量-能量线性关系与氢原子的既有相似之处，也有电子关联带来的重要影响，并且进一步观察到了离子的动量与光子的动量反向这一反常现象。这一工作开启了多电子体系中的光子线动量转移和分配的研究，近期发表于《物理评论快报》【Si-Ge Chen, Wei-Chao Jiang, S. Grundmann*, F. Trinter, M. S. Schoeffler, T. Jahnke*, R. Dorner, Hao Liang, Mu-Xue Wang, Liang-You Peng*, and Qihuang Gong,Phys. Rev. Lett. 124, 043201 (2020)】，物理学院光学所硕士生陈思格为论文的第一作者。

      在第二个工作中，研究团队与合作者一起，利用推广优化后的氦原子双电离程序，在理论上预言了单个超短强XUV激光脉冲与He原子相互作用时在双光子双电离谱中将会出现一种新奇的双电子波包干涉现象。研究团队在他们前期双电离的虚序列图像下【Wei-Chao Jiang,et al.,Phys. Rev. Lett. 115, 153002 (2015)】，进一步加上强场近似的思路，建立了相应的半解析模型，明确解释了导致双电子能谱中干涉结构的物理机制。他们系统的理论研究表明，这种双电子能谱上新型的网格状干涉结构，与超短强XUV激光脉冲下的动态干涉效应、双电离的多电离通道、以及两电子的交换对称性等密切相关。他们的研究表明，与单电离过程中的动态干涉相比，双电离中动态干涉出现的条件更为宽松，为动态干涉在实验上的验证提供了新的可能。该工作近期发表在《物理评论快报》上【Wei-Chao Jiang*, Si-Ge Chen, Liang-You Peng*, and Joachim Burgdörfer,Phys. Rev. Lett. 124, 043203 (2020)】，深圳大学青年助理教授姜维超为第一作者，部分工作在人工微结构和介观物理国家重点实验室的开放课题的支持下完成。

图二：氦原子在参数各异的XUV激光脉冲作用下的双电子联合能谱。

      以上研究工作得到人工微结构和介观物理国家重点实验室、国家自然科学基金委、科技部、纳光电子前沿科学中心和极端光学协同创新中心等的重要支持。

论文的原文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.043201

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.043203