首次！研究人员测定了光子、电子的一对一相互作用

研究人员首次测量了单个光子在连续介质中跃迁时产生的细微动力学变化。

光子撞击物质激发电子发射而产生的光电效应是量子力学中的经典理论之一。1905年，爱因斯坦解释了这一现象背后的关键机制，并因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。如今，研究人员对光电效应已经有了比较深入的研究，并在太阳能电池和夜视镜等诸多产品中进行了应用。

激光技术的发展使复杂量子动力学的直接观察具备了可行性。然而，以最纯粹形式进行的光致电离过程的时间分辨测量，即单个未束缚电子对单个光子的吸收和发射，仍然难以完成。

据《光学设计》杂志报道，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）教授Jaco Fuchs和量子电子研究所（IQE）教授Ursula Keller等近日在该领域取得了突破，他们通过引入一种新的实验方案，首次测量了单个光子的吸收和发射对未束缚电子动力学的影响。

实验中，Fuchs等发现，动力学依赖于光离子化电子的角动量：氦向外发射的s和d电子之间存在12阿秒的延迟。此外，他们还观察到了d电子向外发射时较s电子的相位变化。研究人员认为，这些现象可能与转动能较大而d电子的径向能量较低有关联。

阿秒级时间延迟的测量通常涉及至少两个光子。这使得提取单个光子的贡献度显得异常困难。Fuchs等找到了一种较好的解决方案。在Fuchs等的研究中，虽然也有两个光子参与其中，但他们通过自行设计的拟合程序，从高质量的数据中提取出了光离子在系统中的所有量子通道振幅和相对相位。由此，他们就能够分辨出两个光子各自的贡献度。Fuchs等的实验结果由两种独立的理论方法进行了良好再现。模拟结果也证实，由于与母体离子的原子类型无关，很多量子学效应是普遍存在的。

在爱因斯坦完成其开创性工作115年后，科学家们仍然锲而不舍地在光电效应领域中砥砺前行。Fuchs等提供的方法，有望为科学家们研究原子和小分子的光电离动力学提供新工具。这类似的研究反过来又能够让他们更深入地了解中长期相互作用下，光发射的时间延迟现象。

原创编译：雷鑫宇 审稿：alone 责编：张梦

期刊来源：《光学设计》

期刊编号：2334-2536

原文链接：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/ezdo-pae032020.php

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