通过叠加两束从不同方向汇聚的超短激光脉冲，奥尔登堡大学的一个物理学家团队成功产生了三维光场。借助同一方法，他们还能将电子激发到此前实验中无法获得的量子态。
研究人员在《物理评论研究》上报告称，这一方法为识别手性结构、调控光与物质相互作用以及产生特定电子量子态开辟了新的实验途径。
研究团队负责人Matthias Wollenhaupt博士解释说：“借助我们的方法，我们可以产生过去仅停留在理论描述层面的电子量子态，并让它们在空间上可见，由此，我们为实验光学工具箱增添了一类全新的三维光场。”
将光场叠加在真空腔体内，产生三维光场，用以操控电子。
相交脉冲解锁新电子态
为了产生三维光场，团队叠加了两束经过特殊整形的飞秒激光脉冲。这种光脉冲持续时间极短，仅为十亿分之一秒的百万分之几。研究人员将两束不同颜色的激光束组合起来，使它们在同一个点相交，从而产生形状可控的三维光场。
该研究两位主要作者之一、超快相干动力学研究组博士生Darius Kohnke解释说：“这些场在三个空间方向上都会振荡，为研究和调控特定的光与物质相互作用开辟了新的可能。”这一方法的关键优势在于，研究人员能够利用三维光场产生此前实验中无法获得的电子量子态。
团队利用三维光场演示了这一点：他们选择性地将钾原子中的电子激发到更高能态——即激发态——随后再让这些电子脱离原子。研究人员得以在很短的时间间隔内同步观测电子态的变化。
因此，他们的方法就像一台拍摄量子过程的超高速摄像机：如同频闪闪光照明技术一样，他们捕捉到不同电子态相继出现的各个阶段，将其演化过程连成一部“影片”。
区分分子镜像的潜力
研究人员解释说，这一新方法在对手性分子的研究中尤其前景可期，而手性分子在生物学和医学中发挥着关键作用。手性分子以两种形式存在，二者互为镜像，却无法重叠，恰如人的左右手。
许多生物分子都可能具有手性，包括氨基酸、碳水化合物以及药品中的活性成分。它们的两种形式往往性质不同。
例如，药物 Contergan 中的活性成分沙利度胺，一种形式会在孕期导致出生缺陷，另一种则无害。然而，要分离或区分这两种不同形式可能非常困难。
三维光场有望推动手性传感领域取得重要进展：Wollenhaupt解释说：“理论研究表明，三维光场也可以具有手性。”
最近，柏林马克斯·玻恩非线性光学研究所的物理学家Olga Smirnova博士在《科学》期刊发表题为“分子手性的新时代”的文章，强调了三维光场为研究和调控分子手性所开辟的可能。文章作者写道，当前研究为这类应用奠定了重要基础。
相关链接：https://dx.doi.org/10.1103/r36b-vw82