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物理学院超快光学实验室取得系列重要进展
发布时间:2019-05-23

近日,最新一期的《物理评论快报》(Physical Review Letters)接连发表了陆培祥教授领导的超快光学实验室两篇研究论文,这已经是超快光学实验室今年在《物理评论快报》发表的第3篇论文。

量子隧穿是物理学中最基本的现象之一,在许多领域都已经有非常广泛的应用,如隧道扫描显微镜,隧道结,隧穿二极管,隧道场效应晶体管等。在前沿科学领域,量子隧穿电离也有非常重要的应用。例如,利用隧穿电离的电子波包可以精密测量原子分子内部结构及超快动态过程。这种精密测量依赖于对隧穿过程本身的准确认识。但是目前学界普遍认为隧穿是准静态的过程,而对于电子穿过势垒的动态行为尚不明确。对隧穿的动态过程本身的认识是原子分子超快过程精密测量的基础。

超快光学实验室提出了利用阿秒光电子全息技术对强场隧穿过程的时间和动量信息进行精确测量。近些年,超快光学团队一直致力于发展阿秒光电子全息技术,并取得了一系列重要进展。2016年,周月明教授等人首次阐明了利用强场原子分子电离产生的电子波包作为相干电子源,探测原子分子结构及动态过程的原理[Physical Review Letters116, 173001 (2016)],奠定了阿秒光电子全息的理论,并利用该方法实现了对分子内部超快电荷迁移的实时探测,时间和空间分辨率达到10-18s、10-12m[Physical Review Letters120, 133204 (2018)]。在此基础上,超快光学团队利用阿秒光电子全息的超高时间、空间分辨率,在理论上演示了量子隧穿过程的测量,成功地提取了强场隧穿电离的电子出现在势垒外侧的时刻,以及电子在势垒中运动的时间,其精度高于10阿秒。这一成果于2018年12月21日以《Determination of the ionization time using attosecond photoelectron interferometry》为题在线发表在《物理评论快报》上[Physical Review Letters121, 253203 (2018)]。

在此理论方案的基础上,超快光学实验室黎敏教授等开展了实验研究。采用新建设的冷靶反冲离子动量成像谱仪(COLTRIMS)装置,测量了电子高分辨动量谱中的全息干涉结构,并从中精确提取了隧穿电离的电子初始纵向动量,发现这一动量与绝热隧穿假设的动量大小存在很大的差异,这一研究成果于2019年5月7日在线发表于《物理评论快报》上[Physical Review Letters122, 183202(2019)]。隧穿电离时间和电子初始动量的探测对阿秒科学领域的精密测量与操控至关重要。

同时,黎敏教授等人与德国马普所的Ingo Barth教授合作,巧妙地设计了一个实验方案。通过改变超快激光的椭偏率调控量子隧穿中非绝热程度,观测到了电子隧穿初始动量不为零的直接实验证据。这一研究成果于2019年2月4日以 《Detecting and Characterizing the nonadiabaticity of laser-induced quantum tunneling》为题在线刊发在《物理评论快报》上。实验结果证实了激光诱导量子隧穿存在非绝热效应,澄清了强激光场中量子隧穿非绝热效应的争议,对激光诱导的超快电子动力学研究具有重要的指导意义。

2019年5月14日,超快光学实验团队在《物理评论快报》发表了题为《Reciprocal-space-trajectory perspective on high harmonic generation in solids》的最新研究论文。原子、分子气体中的高次谐波产生,奠定了现代超快科学的基础。基于气体高次谐波发展的一系列阿秒技术,因为其超高的时间(阿秒)、空间(埃)分辨率,使人们得以在电子尺度下研究原子、分子中的超快动力学过程。近年来,在不同固体材料中也普遍观察到了高次谐波产生现象。不同于稀薄气体,固体材料中的高电子浓度,使得高效阿秒光源产生成为可能。同时,固体高次谐波产生也为研究固体材料中的超快动力学过程提供了新的思路。

目前的实验结果表明,固体高次谐波产生效率的反常椭偏依赖,预示着固体材料中高次谐波的产生机制与其在气体中存在很大的不同。虽然人们已经发展了许多数值计算模型对固体高次谐波产生过程进行分析,然而,到目前为止依然没有一个很好的物理图像,可以直观的解析固体高次谐波产生过程。这严重阻碍了固体超快技术的发展。陆培祥教授团队成员基于倒空间轨迹图像,提出了固体高次谐波产生的四步模型(预加速,激发,加速,辐射)。在该模型的基础上,不仅可以定量的分析高次谐波产生的光谱,还可以解耦不同量子通道对高次谐波产生的影响。该工作指出,不同于传统的气体高次谐波产生的三步模型(电离,加速,回复),在固体材料中,价电子激发之前的预加速过程在固体高次谐波产生中具有重要的调控作用,特别在具有较大椭偏率激光驱动下,由于预加速作用,使得高次谐波主要由偏离价带顶的电子产生。此外,相对线偏振光驱动,在具有相同振幅的圆偏光驱动下,产生的高次谐波辐射不仅效率得到提高,而且截止能量也有明显拓宽。基于此,该工作指出在固体材料中,谐波辐射的经典再碰转图像不再适用,由于固体中电子的非定域性,谐波辐射应该主要由电子-空穴极化产生。此项研究成果在高次谐波光谱与微观电子动力学过程之间建立起了直观的联系,为将来固体高次谐波的产生与应用提供了重要理论工具。

4月1日,《自然·光子学》(Nature Photonics)刊发了超快光学实验室的一项国际合作成果《Coherent steering of nonlinear chiral valley photons with a synthetic Au–WS2 metasurface》。物理学院王凯教授、陆培祥教授和新加坡国立大学仇成伟教授为共同通讯作者,我院16级博士生洪玄淼为共同第一作者。超快光学研究团队和新加坡国立大学仇成伟教授合作,将这种新型非线性光学界面用于单层WS2中非线性能谷-光子的高效激发和操控。通过设计了具有梯度相位信息的金纳米孔阵列,当左(右)旋圆偏基频光通过金纳米孔时,产生带有相位信息的右(左)旋圆偏基频光。根据SHG选择定则,特定能谷K(K')会被激发并产生左(右)旋SHG,实验中测得其自旋度接近100%。由于金纳米孔的局域场增强效应,使光场与能谷相互作用强度增强,测得SHG转换效率提高3个量级。更重要的是,能谷锁定的SHG光子携带了相位信息,可实现控制其出射角度等各种功能。这为二维材料中能谷操控、信息编码与读取提供了非常简洁可靠的途径,可促进室温下非线性、量子和谷电子纳米器件的研究和应用。

自2018年以来,超快光学实验室硕果频出,已发表高水平科研论文多篇,其中Nature Photonics 1篇,Nature Communications 1篇,Physics Review Letters 8篇,Nano Letters 1篇,Angewandte Chemie International Edition 1篇,Advanced Functional Materials 1篇。这是超快光学实验室多年来坚持面向科学前沿开展科学研究、坚持引育并举充分发挥人才优势的结果。实验室师资力量雄厚,队伍年轻有活力。现有教师13人,其中教授7人,长江学者、杰青1人,1人,优青3人,湖北省百人3人。在陆培祥教授的带领下,实验室非常重视研究生的培养。导师们注重研究生的理想信念教育,坚持将研究生思想工作融入学术指导和日常管理中,严格要求,率先示范。在师生的努力下,超快实验室研究生培养质量明显提升。



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