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物理學院超快光學實驗室取得系列重要進展
發布時間: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。

量子隧穿是物理學中最基本的現象之一,在許多領域都已經有非常廣泛的應用,如隧道掃描顯微鏡,隧道結,隧穿二極管,隧道場效應晶體管等。在前沿科學領域,量子隧穿電離也有非常重要的應用。例如,利用隧穿電離的電子波包可以精密測量原子分子內部結構及超快動態過程。這種精密測量依賴于對隧穿過程本身的准確認識。但是目前學界普遍認爲隧穿是准靜態的過程,而對于電子穿過勢壘的動態行爲尚不明確。對隧穿的動態過程本身的認識是原子分子超快過程精密測量的基礎。

超快光學實驗室提出了利用阿秒光電子全息技術對強場隧穿過程的時間和動量信息進行精確測量。近些年,超快光學團隊一直致力于發展阿秒光電子全息技術,並取得了一系列重要進展。2016年,周月明教授等人首次闡明了利用強場原子分子電離産生的電子波包作爲相幹電子源,探測原子分子結構及動態過程的原理[Physical Review Letters116, 173001 (2016)],奠定了阿秒光電子全息的理論,並利用該方法實現了對分子內部超快電荷遷移的實時探測,時間和空間分辨率達到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。

目前的實驗結果表明,固體高次諧波産生效率的反常橢偏依賴,預示著固體材料中高次諧波的産生機制與其在氣體中存在很大的不同。雖然人們已經發展了許多數值計算模型對固體高次諧波産生過程進行分析,然而,到目前爲止依然沒有一個很好的物理圖像,可以直觀的解析固體高次諧波産生過程。這嚴重阻礙了固體超快技術的發展。陸培祥教授團隊成員基于倒空間軌迹圖像,提出了固體高次諧波産生的四步模型(預加速,激發,加速,輻射)。在該模型的基礎上,不僅可以定量的分析高次諧波産生的光譜,還可以解耦不同量子通道對高次諧波産生的影響。該工作指出,不同于傳統的氣體高次諧波産生的三步模型(電離,加速,回複),在固體材料中,價電子激發之前的預加速過程在固體高次諧波産生中具有重要的調控作用,特別在具有較大橢偏率激光驅動下,由于預加速作用,使得高次諧波主要由偏離價帶頂的電子産生。此外,相對線偏振光驅動,在具有相同振幅的圓偏光驅動下,産生的高次諧波輻射不僅效率得到提高,而且截止能量也有明顯拓寬。基于此,該工作指出在固體材料中,諧波輻射的經典再碰轉圖像不再適用,由于固體中電子的非定域性,諧波輻射應該主要由電子-空穴極化産生。此項研究成果在高次諧波光譜與微觀電子動力學過程之間建立起了直觀的聯系,爲將來固體高次諧波的産生與應用提供了重要理論工具。

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中非線性能谷-光子的高效激發和操控。通過設計了具有梯度相位信息的金納米孔陣列,當左(右)旋圓偏基頻光通過金納米孔時,産生帶有相位信息的右(左)旋圓偏基頻光。根據SHG選擇定則,特定能谷K(K')會被激發並産生左(右)旋SHG,實驗中測得其自旋度接近100%。由于金納米孔的局域場增強效應,使光場與能谷相互作用強度增強,測得SHG轉換效率提高3個量級。更重要的是,能谷鎖定的SHG光子攜帶了相位信息,可實現控制其出射角度等各種功能。這爲二維材料中能谷操控、信息編碼與讀取提供了非常簡潔可靠的途徑,可促進室溫下非線性、量子和谷電子納米器件的研究和應用。

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學研究、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。现有教師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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