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强激光场中原子多光子电离的量子轨迹蒙特卡罗理论

   原子分子的多光子电离和隧道电离一直是强场光物理的研究前沿,在原子分子结构成像、量子调控等方面具有重要应用。人们对多光子电离的认识一般是通过量子理论,但量子理论是基于波函数和薛定谔方程,所得到模拟结果是物理上“不透明的”(not physically transparent),人们很难直接实现电子的动力学分析。 “飞秒光物理和介观光学”创新研究群体刘运全研究员、彭良友副教授和龚旗煌教授等发展了一套量子轨迹蒙特卡罗(Quantum-Trajectory Monte Carlo-QTMC)理论。他们通过蒙特卡罗模拟,把隧道电离理论和费曼路径积分相结合(如图1a),获得了原子多光子电离全微分光电子角分布的干涉物理起源(如图1c,d)。在实验上,他们通过新建成的冷靶电子离子动量谱仪,测量了高分辨氙原子多光子电离的光电子角分布(图1b)。通过QTMC理论的计算结果与实验结果非常符合。为了进一步证实理论结果,他们还通过精确求解含时薛定谔方程(Time-Dependent Schrödinger Equation-TDSE)对该理论计算给予验证。

   通过该理论可以直接采用量子轨迹的方法,研究电子在激光场和原子库仑场作用下的干涉动力学,可以建立多光子电离的经典-量子对应关系(如图2),从而对强激光场中原子分子电离过程的电子全息、分子结构成像及超快光场量子调控等方面具有重要应用。被审稿人评价为“这是这几年见过强场物理中最漂亮的理论,将对强场物理的发展具有重要意义。” 该研究结果发表在2014年3月17日出版的《物理评论快报》【“Classical-Quantum Correspondence for Above-Threshold Ionization” [M. Li et al.,Phys. Rev. Lett 112, 113002 (2014)].】.

图1: 量子轨迹蒙特卡罗模型基本思想(a)及计算结果(c)和(d),(b)为实验测量Xe原子的光电子角分布

如图2:通过量子轨迹蒙特卡罗理论得到遂穿电子的遂穿相位及初始动量

   论文第一作者是4年级博士生黎敏同学,他在原子强激光场隧道电离研究中,发表Phys. Rev. Lett 3篇, 其中第一作者2篇,Phys. Rev. 4篇。该研究工作得到国家自然科学基金委的“创新研究群体”、“杰出青年基金”和 国家重大基础研究计划(973)项目的资助。

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