超快自旋动力学:从飞秒磁学到阿秒磁学

超快自旋动力学是研究材料受到外场激发后,在皮秒至阿秒时间尺度下其自旋的运动行为.随着激光技术的不断提升,1996年开始的飞秒磁学成为磁学中的重要研究领域,是实现更快响应的新型自旋电子学器件的重要技术途径.尽管已有几十年的历史,飞秒磁学依旧存在着非常多的物理问题尚未解决,而理解这些问题需要研究更快时间尺度下的自旋动力学过程.利用阿秒激光脉冲与磁性材料的相互作用,可研究亚飞秒乃至阿秒时间尺度下、元素分辨的自旋动力学行为,即阿秒磁学.本文介绍了超快自旋动力学近年来的一些重要研究进展以及存在的问题,阿秒磁学研究的机遇与挑战,并对超快自旋动力学的未来发展趋势及前景进行分析与展望.

阿秒脉冲串产生和相位信息重构的对比研究

阿秒脉冲为研究原子、分子和电子的超快动力学提供了前所未有的测量精度.目前最成熟的方法是使用飞秒激光与气体相互作用产生阿秒脉冲串和孤立阿秒脉冲.阿秒脉冲的时域信息以及电子的动力学信息可以通过阿秒条纹相机或基于双光子跃迁干涉的重构阿秒拍频(RABBITT)方法从能谱图中提取.本文研究了阿秒脉冲串的产生、测量和表征,通过自主设计建造的钛宝石放大器和阿秒束线进行实验获得光电子能谱图,并采用不同方法重构阿秒脉冲串的相位信息.这对于深入理解电子动力学并进行相关测量具有重要意义.

阿秒物理——2023年诺贝尔物理学奖解读

2023年诺贝尔物理学奖授予美国俄亥俄州立大学的皮埃尔·阿戈斯蒂尼(Pierre AGOSTINI)、德国马克斯普朗克量子光学研究所的费伦茨·克劳斯(Ferenc KRAUSZ)和瑞典隆德大学的安妮·吕利耶(Anne L’HUILLIER),他们在实验上产生了高次谐波、阿秒脉冲串和孤立阿秒脉冲,为阿秒物理奠定了基础。详细介绍了高次谐波和阿秒脉冲的产生及其在强场超快光学领域的应用,并展望了其在超快探测过程中面临的机遇。

阿秒瞬态吸收光谱中的延迟零点标定(特邀)

模拟了由氦原子能量最低的三个态(1s^(2),1s2s,1s2p)所构成的三能级系统的阿秒瞬态吸收光谱。该系统采用孤立的阿秒极紫外光脉冲作为探测光,能够捕捉红外泵浦光缀饰下的阿秒时间分辨的电子动力学过程。研究发现阿秒瞬态吸收光谱中存在随两束脉冲之间延迟时间变化的高频振荡信号。小波分析显示,其振荡周期分别为红外激光脉冲周期的二分之一、四分之一和六分之一,并且从高频信号中可以提取出延迟零点的位置。本文研究可为实验中延迟零点的标定提供参考。

利用扭转双脉冲驱动激光产生偏振方向可控的阿秒脉冲(特邀)

研究了扭转双脉冲激光参数对产生高次谐波和阿秒脉冲偏振方向的影响。结果表明,当两束同频线偏振激光脉冲偏振方向正交并具有合适的时间延迟(或相位差)时,改变它们之间的强度比,可以在垂直于激光传播方向的平面内得到任意偏振方向的线极化阿秒脉冲,而激光载波包络相位不会对这种调控产生显著影响。此外,在合适的激光强度比下,利用两束激光脉冲之间的偏振夹角也可以有效控制阿秒脉冲的偏振方向。为产生偏振方向可控阿秒脉冲提供了一种简单易操作的方案。

三色激光在充气波导管内产生孤立阿秒脉冲相位匹配条件的分析(特邀)

对比优化与未优化的三色光组合发现,当高次谐波场在波导管内传播时,仅当单原子响应中始终保持单个发射峰,或者在合适相位匹配条件下单原子响应中的多余发射峰被抑制时,才能有效地产生孤立阿秒脉冲。比较不同三色光组合下产生的孤立阿秒脉冲的性能,确定基频激光(1600 nm)与其二倍频场(800 nm)、四倍频场(400 nm)的优化组合是在波导管内产生孤立阿秒脉冲的最佳组合。

阿秒光脉冲:探秘微观世界的时间之窗

2023年度诺贝尔物理学奖授予阿戈斯蒂尼、克劳斯和吕利耶,以表彰他们“在产生用于研究物质中电子动力学的阿秒光脉冲的实验方法”上做出的开创性贡献。人类对于物质本源的探索与追求是永不停歇的。物理学,从对物质构成和物质运动的哲学追问开始,逐渐演变成对微观世界和运动过程的实验探究。时间一直是物理学中最基本的参量,尤其在微观世界的探索中,微观粒子的运动在更短的时间尺度上进行。

利用多周期空间非均匀啁啾场产生单个短阿秒脉冲

提出了一种直接生成单个短阿秒脉冲的有效方案.采用数值求解一维含时薛定谔方程,理论研究了多周期空间非均匀啁啾场驱动预激发氦离子的高次谐波辐射和阿秒脉冲的产生.结果表明:在空间非均匀啁啾场作用下,谐波截止可扩展至1050阶次,并且高于300阶次以上的谐波是连续的.由于连续谱来自单一量子路径的贡献,滤出连续谱上880-1120阶次的谐波,直接产生了一个脉宽为11.4 as的单个脉冲.通过增加驱动脉冲的持续时间,可获得一个脉宽短至10 as的单个脉冲.

阿秒激光与量子点巧遇在诺贝尔奖

2023年度诺贝尔物理学奖与化学奖分别授予阿秒激光与量子点这两项微观尺度上的技术,以肯定其在前沿微观领域方向上做出的贡献。虽然它们是两个独立的领域,但是都在探索微观世界的极端尺度上发挥着关键的作用,并在宏观世界中影响我们的生活。

强激光与固体密度等离子体作用产生孤立阿秒脉冲的研究进展

强激光与固体密度等离子体作用产生的阿秒脉冲具有强度高、脉宽短等优势,因此吸引了很多研究者的注意.由于超快过程的泵浦探测技术需要的是一个孤立的阿秒脉冲,因此本文重点讨论了相对论强激光与固体密度等离子体作用产生孤立阿秒脉冲的几种物理机理.最近的几个代表性工作表明,强激光与固体密度等离子体作用还可以产生脉宽更短、强度更高的半周期阿秒脉冲.半周期孤立阿秒脉冲在对原子、固体中的电子进行超快的非对称操纵或探测等方面具有重要的应用,因此本文对半周期阿秒脉冲产生的理论机制、实验可行性、标定测量、及应用前景进行了深入的讨论.

非均匀3色激光场波形优化产生阿秒脉冲

为了获得最佳谐波发射的非均匀激光波形,采用求解薛定谔方程的方法,寻找了正负非均匀效应下三色激光场的最佳波形.结果表明,在正负非均匀效应下,分别选择最佳的正向和负向激光波形可以获得最佳延伸效果的高次谐波光谱.最后,在谐波平台区通过傅里叶变换可得到脉宽为43 as的脉冲.

阿秒光脉冲的产生和测量方法

2023年诺贝尔物理学奖颁给了在实验上实现阿秒光脉冲相关的3位科学家.阿秒光脉冲是打开电子世界大门的至关重要的钥匙,使电子波包运动状态的观察更加直观,这也有力地促进了阿秒电子动力学研究.本文从实验的角度,以首次产生阿秒光脉冲序列和孤立阿秒光脉冲为出发点,详细介绍了产生阿秒光脉冲的实验方法,重点介绍了阿秒物理研究的主要测量方法,并且比较了各实验方法的不同.

高电荷态离子阿秒激光光谱研究展望

高电荷态离子(highly charged ions,HCI)的光谱测量不仅可以检验量子电动力学效应和相对论效应等基本物理模型,还能够为天体物理、聚变等离子体物理甚至HCI光钟等研究提供关键原子物理数据.HCI离子能级跃迁大多在极紫外甚至X射线波段,受限于目前的光源技术较难直接产生该波段激光,实验室对于HCI离子的激光光谱测量十分有限.阿秒光源具有极紫外甚至软X波段的高光子能量和超短的脉冲持续时间,为实验室开展HCI的光谱测量与超短能级寿命研究等提供了新的机遇.本文分析了目前国际上利用同步辐射光、自由电子激光以及飞秒高次谐波等光源已开展的一些HCI离子光谱实验测量的基本方法、研究进展等,总结了阿秒光源、离子靶等技术的研究现状,讨论了将极紫外阿秒光源与不同HCI离子靶的技术结合开展HCI离子阿秒时间分辨激光光谱测量的可行性,并提出了一个HCI离子阿秒光谱测量的初步设计方案,为未来开展HCI光谱精密测量与离子能级寿命测量等研究提供参考.

阿秒脉冲的发展及其在原子分子超快动力学中的应用

在过去20年里,激光技术的发展使阿秒科学成为一个新的研究领域,可为量子少体超快演化过程的研究提供新视角.当前实验室中制备的阿秒脉冲以孤立脉冲或脉冲串的形式被广泛应用于实验研究中,其超快变化的光场允许人们操控和跟踪电子在原子尺度的运动,实现对亚飞秒时间尺度电子动力学的实时追踪.本综述聚焦于阿秒科学的重要组成部分,即原子分子超快动力学研究的进展.首先介绍阿秒脉冲的产生和发展,主要包括高次谐波原理和孤立阿秒脉冲分离方法;然后系统地介绍阿秒脉冲在原子分子超快动力学研究中的应用,包括光电离时间延迟、阿秒电荷迁移和非绝热分子动力学等方面;最后对阿秒脉冲在原子分子超快动力学研究中的应用进行总结和展望.

从光电效应、波粒二象性到阿秒脉冲——2023年诺贝尔物理学奖

2023年诺贝尔物理学奖被授予皮埃尔•阿戈斯蒂尼、费伦茨•克劳斯和安妮•吕利耶,以表彰他们在阿秒脉冲的实验实现上作出的先驱性贡献。从电磁波的概念孕育之初到光电效应的揭示,再到激光与高次谐波的发现,人类渐渐揭示了光与物质交织舞蹈的深层复杂性。阿秒脉冲技术如同一把精致的钥匙,解锁了之前无法触及的物理世界的极短时间尺度的奥秘。如今,阿秒脉冲技术已广泛应用于能源、信息科技、医学等领域的研究,为我们提供了一种强大的探测手段。随着技术的不断发展和完善,我们有理由相信,在不远的将来它将在基础科学的探索和工业的革新中,产生更多意想不到的突破和飞跃。

阿秒脉冲产生和测量技术研究进展(特邀)

阿秒脉冲光源诞生于21世纪初,是同时具有阿秒时间和纳米空间分辨率的全相干光源,在近20年的时间里,推动了阿秒科学研究不断取得显著的进展和突破。阿秒脉冲为物理、化学、生物、材料、信息等领域的发展提供了全新研究手段和重要创新机遇。本文介绍了阿秒脉冲的重要发展历程,主要综述并总结了高次谐波、阿秒脉冲产生以及阿秒脉冲测量的关键技术和现状,最后对阿秒脉冲研究的发展进行了展望。

高次谐波产生阿秒极紫外和X光脉冲研究新进展

近年来在可见光谱范围内已经把激光脉冲压缩到接近一个光学周期（2～3fs）的物理极限，几fs的时间分辨精度可以描述分子化学反应过程，但是要探测远小于可见光周期的电子跃迁过程则需要阿秒（as）量级的光脉冲。利用脉冲间具有相同载波包络相位的阿秒脉冲序列能把可见光波段的光学频率梳向极紫外波段扩展；利用电子和离子碰撞复合过程短于一个光周期这个时间窗，通过测量激光场椭圆极化率对电子轨迹的微扰实现了as精度的分辨率；通过测量碰撞复合过程中的高能电子的辐射谱可以重构阿秒X光脉冲以及探测强场下束缚态和连续态电子动力学。

阿秒激光给电子运动按下“超级快门”

2023年诺贝尔物理学奖授予了皮埃尔·阿戈斯蒂尼、费伦茨·克劳斯和安妮·吕利耶,以表彰他们的实验方法产生了阿秒光脉冲,用于研究物质中的电子动力学。阿秒是原子中的电子运动时间尺度,人们常用量子力学计算物理量的平均值,但是量子力学也描述了微观粒子的运动。

基于高次谐波阿秒光源的超快测量技术(特邀)

台式阿秒相干光源在过去20多年取得了飞速的发展,其研究重心已经从早期的产生与测量机理的探索逐渐过渡到了极端时间尺度超快过程的追踪及操控上。目前阿秒时间分辨的谱学技术不仅能实现简单的原子分子体系瞬态过程的直接追踪,还被逐步应用到化学分子、生物分子、固体材料等复杂体系的测量中。本文回顾了基于阿秒光源的超快测量技术的发展,介绍了相关技术的原理及其在物理、化学、信息科学领域的应用研究。

探测凝聚态材料中电子的阿秒动力学以及相互作用过程(特邀)

随着高次谐波阿秒光源技术以及阿秒计量学的发展,对于凝聚态材料中的电子动力学探测也进入了阿秒的领域,并在近15年的时间里取得了显著的进展和突破。新颖的阿秒测量方式为研究在极短的时间尺度上,凝聚态材料中电子的运动、共振跃迁以及相互作用等重要物理问题提供了全新的研究手段和重要创新机遇。本文介绍了探测凝聚态物质中本征阿秒动力学过程的重要工作,主要综述了高次谐波、阿秒脉冲测量、凝聚态材料阿秒光电子能谱探测的关键技术和现状。最后对阿秒光电子动力学测量技术的发展做出了展望。