最新研究：一种关于光电子诞生机理的重大认知

学过物理的许多人可能知道，光电效应是当光撞击材料时电子的发射。 以这种方式发射出的电子称为光电子。这种现象在物理学和诸如量子化学和电化学的化学领域中被普遍研究。光与物质之间的相互作用是许多基本现象和各种实用技术的基础。

最著名的是，在光电效应中，电子是反射光的材料中发射出来的。这种现象的起源长期以来一直是一个谜，只有随着量子理论的出现，多亏爱因斯坦才使这种现象得到充分理解。爱因斯坦因发现这一基本定律而获得1921年诺贝尔物理学奖。

但在某些重要情况下，关键原理是从光子到电子传输的不是能量而是线性动量（或脉冲）转移。例如，在使用激光冷却微观和宏观物体或了解辐射压力现象时，就是这种情况。

电离（Ionization），或称电离作用、离子化、游离化，是指在物理性的能量作用下，原子、分子在水溶液中或熔融状态下产生自由离子的过程。通过电离产生光电子是光与物质之间相互作用的最基本过程之一。

但是，关于光子如何将其线性动量传递给电子，一直存在着深层次的问题。瑞士苏黎世联邦理工学院（英文简称：ETH Zurich）的物理学家，现在对此深层次的问题取得了重要的认知。他们通过首次在次飞秒级别上研究电离过程中线性光子的动量转移而取得的。飞秒（femtosecond）是一种时间的国际单位，为千万亿分之一秒。次飞秒（sub-femtosecond）级指还低于飞秒级的时间段。

尽管动量传递具有根本的重要性，但是关于光如何将其脉冲传递到物质上的确切细节仍未完全理解。原因之一是，传输的脉冲在光周期内会以极快的亚飞秒时间尺度上变化。到目前为止，研究发现主要是有关时间平均行为的信息，而在光电离过程中缺少线性动量传递的时间相关方面。据发表在今天的《自然通讯》上的一篇论文评价报道中指出，瑞士苏黎世联邦理工学院量子电子研究所的科学家们填补了这一空白，取得了关于光电子诞生机理的重大认知。

他们研究了高激光强度的情况，其中多个光子参与电离过程，并研究了在激光传播方向上传递了多少动量。为了获得足够的时间分辨率，他们首创并采用了一种叫做阿秒原子钟的技术。

阿秒（attosecond），符号记为 as，是一种时间的国际单位，为10的负18次方秒。这是什么样的一个概念呢？比方说，如果把一阿秒当作我们的一秒，那么这样对应的一秒就相当于 317.1 亿年，约为我们现在已知的宇宙年龄的两倍。

阿秒原子钟（attoclock）是一种功能强大、新颖的、超常规的研究工具，用于在原子尺度上研究极为基础的阿秒级的动力学。通过使用这样一种原子钟来测量氦和氩原子的激光诱导电离中的隧穿延迟时间，从而获得了令人惊讶的结果。

在这种方法中，无需产生阿秒级的激光脉冲即可实现阿秒级的时间分辨率。这样，关于接近圆偏振光的旋转激光场矢量的信息，用作于以秒为单位测量相对于电离事件的时间。这就如通常的时钟指针非常相似，这种时钟指针在一个11.3 飞秒的持续时间段里的光学周期内旋转了一个完整的圆圈。

有了这个功能强大的工具，物理学家就能够确定在光电子“诞生”之时，获得了多少线性动量电子。他们发现，沿激光传播方向传递的动量确实取决于在激光振荡周期中电子何时从物质（例如氙原子）中“释放”出来。这意味着至少对于他们所探索的场景，时间平均辐射压力的景象是不适用的。有趣的是，它们可以在经典模型中几乎完全重现观察到的行为，而许多光-物质相互作用的场景（例如康普顿散射）只能在量子力学模型中解释。

不过，必须考虑到传出的光电子与残留氙离子之间的相互作用来扩展经典模型。他们在实验中表明，这种相互作用在线性动量传递的时间上引起了额外的阿秒级延迟，这与脉冲过程中产生的自由电子的理论预测相比有所不同。此类延迟是光电离的一般属性还是仅适用于本研究中研究的那种情况，目前尚无定论。

然而，显而易见的是，通过对在电离过程中自然时间尺度上电离过程中线性动量转移的首次研究，研究人员开辟了一条新的令人兴奋的途径，通过强场电离中多光子动量传递的亚周期时间分辨率，以探索光物质相互作用的极为基本的本质，从而使光子相互作用成为了在以阿秒级的尺度上进行科学探索。