光电子产生的新见解

下图所示为重建的三维光电子动量分布图，并绘制了偏振椭圆和光束方向图。通过电离产生光电子是光与物质相互作用中最基本的过程之一。然而，关于光子如何将其线性动量传递给电子的深层问题仍然存在。随着首次对电离过程中的线性光子动量转移进行亚飞秒级的研究，苏黎世联邦理工大学物理学家对光电子的诞生提供了前所未有的见解。

 

光与物质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，电子是从暴露在适当能量光下的材料中发射出来的。长期以来，这种现象的起源一直是一个谜，只有随着量子理论的出现，并感谢阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）的天才，才能充分理解这种效应。1921年，爱因斯坦因其对基本定律的发现获得了诺贝尔物理学奖，从那时起，这种效应被应用于从光谱学到夜视仪等领域。在一些重要的情况下，关键的原理不是能量的转移，而是线性动量或从光子到电子的脉冲的转移。例如，当使用激光冷却微观和宏观物体，或了解辐射压力现象时，就会出现这种情况。 

尽管动量转移具有根本的重要性，但光如何将其脉冲传递到物质上的确切细节仍不完全清楚。一个原因是，这一过程是在一个非常快的亚飞秒时间尺度上，传输脉冲在光周期中发生变化。到目前为止，研究主要揭示了时间平均行为的信息，丢失了光电离过程中线性动量转移的时间依赖方面的信息。量子电子学研究所的厄休拉·凯勒（Ursula Keller）小组已经填补了这一空白，他们在近期发表在《自然通信Nature Communications》杂志上的一篇论文中报告了这一最新研究。 

他们研究了高激光强度的情况，其中有多个光子参与电离过程，并研究了有多少动量在激光传播方向上转移。为了获得足够的时间分辨率，他们采用了所谓的阿托钟技术，这是凯勒实验室在过去十年中发展和完善的技术。在这种方法中，无需产生阿秒激光脉冲即可获得阿秒时间分辨率。相反，在接近圆偏振光的旋转激光场矢量的信息被用来以阿秒精度测量相对于电离事件的时间。与刚才时钟的指针非常相似，这只时钟指针在一个11.3 fs的光周期内旋转一整圈。 

有了这个万能的工具，苏黎世联邦理工大学物理学家能够根据光电子的“出生”时间来确定电子获得了多少线性动量。他们发现，在激光的传播方向上转移的动量的数量确实取决于在激光的振荡周期中，电子何时从物质中“释放”，在他们的例子中是氙原子。这意味着，至少在他们探索的情况下，时间平均辐射压力图是不适用的。有趣的是，它们几乎可以在经典模型中完全再现观察到的行为，而光与物质相互作用的许多情况，如康普顿散射，只能在量子力学模型中解释。 

但是，为了考虑出射光电子和残余氙离子之间的相互作用，必须对经典模型进行扩展。他们在实验中发现，这种相互作用在线性动量转移的时间上比在脉冲过程中产生的自由电子的理论预测产生了额外的阿秒延迟。这种延迟是光离子化的一般性质，还是仅适用于本研究中所研究的那种情况，目前尚不清楚。然而，显而易见的是，通过这一首次对电离过程中的线性动量转移在过程的自然时间尺度上的研究，凯勒小组开辟了一条新的令人兴奋的途径来探索光与物质相互作用的非常基本的性质，从而实现了阿秒科学研究的一次突破。 

原文来源：https://phys.org/news/2019-12-momentous-view-birth-photoelectrons.html