2023諾貝爾物理獎媒體公開資料中譯(上)

2023年諾貝爾物理獎頒發給利用阿秒光譜學對於凝聚體物理學中,電子移動的研究。

當維爾納·海森堡於1925年解釋量子力學時,他說以氫原子中電子繞氫原子核的週期以及電子的位置為例,以前的科學家對此主張這些事不可以被觀察的現象,對於維爾納·海森堡而言,新的量子力學理論需要基於上述案例應該是可以被觀測的前提下進行討論,例如說量子力學中量子相變現象。

維爾納·海森堡於1925年發表的論文無疑是物理界在20世紀之中最重要的論文之一,但是他無法預料到的事情是:他之前一直認為不可被觀測的現象現在一一在實驗室被實驗出來。

儘管這些現象依然不可被觀測,然而這些實驗結果一一被記錄在紙上,那就是今天我們討論的凝聚體物理學中,電子移動的實驗。

如何闡述呢?

最簡單的討論是是時間的原子單位制是大約24阿秒還是脈衝光的週期,也就是1飛秒,然而這些事情現實中永遠不可能被電子儀器探查。事實是,實驗室裡可以製造出最短的雷射脈衝週期是6飛秒。實驗室裡所製造出來的脈衝光和科技發展最密切相關的議題是雷射科技,鎖模技術以及光脈衝週期的測量。而這項技術使得人們可以探討原子在分子裡面運動的情形,特別是得以對化學反應中困難的過渡狀態的研究,這讓Ahmed Zewail在1999年獲得諾貝爾化學獎得殊榮。

自從西元1600年開始,測量最短的時間間隔一直需要最先進的科技,然而,要突破1飛秒的障礙仍然需要基礎物理的示範。

阿秒光脈衝-漫長的道路

自從1980年,許多研究團體倚靠高能雷射以及先進離子源探究了元素中,電子數較少的帶電離子與原子,他們的目的是:證明透過光子離子化的步驟可以增加帶電離子的數量。

一個基本問題:光子離子化的光波長為何?帶有價數的離子可以容易地被偵測,然而,由於光譜解析度的問題,光子難以被偵測。在巴黎薩克雷大學的首次實驗利用了波長1064nm紅外光光子,而結果令人驚艷。用光強度為10¹³W/cm²的紅外光照入稀有氣體時,許多高次諧波便會產生,這也符合當光產生干涉現象時所輻射出來的光頻率為基頻的整數倍的道理。

最令人驚訝的是,這次高階諧波(HHG),奇數次諧波的光強度會依次大量地減少,從第5諧波到第33諧波的光強度卻幾乎沒有減少,而在這之後諧波的光強度又再次減少。這並非首次高階諧波(HHG),但是人們卻可以觀察到在頻率-光強度圖中,從第5諧波到第33諧波所產生宛如高原般平整的圖形,這件事情卻也給科學家產生一系列的問題:這個平原圖形是如何產生?如何利用這個現象?

有的人提出看法是:利用短脈衝來建立波段寬度,進而造成這個平原圖形現象。這個假設被其他科學家認為是:原則上可能發生的事情。

圖一

為了理解這個平原圖形現象,現在需要理解高諧波產生(HHG)實驗所運作的機制。

1991年,Anne L'Huillier,Kenneth Schafer以及Kenneth Kulander所發表的論文中,利用薛丁格方程式來理解高階諧波(HHG),並理解到:單電子近似(SAE)可以造成高階諧波(HHG),並利用馬克士威方程式來計算。之後,由Kulander所領導的團隊使用薛丁格方程式以及單電子近似(SAE)來推導惰性氣體的"截斷能cutoff energy"

E_c=I_p+3U_p

I_p:原子離子化所需電位

U_p:雷射場的有質電位,也就是電子在雷射場中震盪所需動能

1993年在比利時所召開的一場會議中,Kenneth推導了一種新型散射模型,演示了能量約為10到120電子伏特的高階諧波(HHG)所形成的極紫外光的脈衝。

圖二

圖2表示了該散射模型的構想過程

解說:散射現象,或是三階段半古典高階諧波(HHG)模型

第一步驟,雷射場造成穿隧電離的現象

第二步驟,雷射場對電子加速,當場在另外一半的週期反轉時,自由電子與離子重新組合

第三步驟,自由電子與離子重新組合的步驟利用電子的動能,激發出極紫外光

由Kulander的團隊所發表這個令人振奮的發現是源自於Kulander的團隊在對於超閾值游離(ATI)理論的修正。也就是說,將電子激發的雷射光能量,與原子的第一游離能一致。

在同時間點,Kulander的團隊以及Pierre Agostini的團隊正在研究這個散射模型。

超閾值游離(ATI)的過程由Pierre Agostini的團隊在1979年所發現,是近10年來強場雷射物理所關注焦點。

另一名強場雷射物理學家Paul Corkum,推導了另類的模型,也就是知名的三階段模型。

在Kulander以及Corkum的模型中,電子與離子散射的步驟是重要的關鍵。

超閾值游離(ATI),雷射場與電子的交互關係十分重要。

在這個散射模型,如圖2所述,若電子並未抵達游離能的閥值,電子回到離子定留在離子旁,圖2也闡述了高階諧波(HHG)所形成的高原圖型可利用摻釹釔鋁石榴石雷射（Nd:YAG Laser,坊間俗稱釹雅鉻雷射)以波長1064奈米來達成,而非C.K.Rhodes團隊所利用波長為248奈米所進行的實驗。以波長248奈米來解釋高階諧波(HHG)所形成的高原圖型,儘管自由電子與離子重新組合的比波長1064還要快速,逸散的動能也較少,但是其成功機率也比較低。

在1994年, Lewenstein,L'Huillier以及Corkum以及許多共同作者提交了完整地量子理論證實了Kulander以及Corkum半古典模型。對於散射的過程,半古典模型以及前述的量子理論的理解,L'Huillier以及許多共同作者得以了解高階諧波(HHG)是如何產生阿秒脈衝,並將這些論文於1990年代中後期發表。