科学家发现了更多光如何将动量传递给物质的精确细节

重建后的三维光电子动量分布、偏振椭圆和光束方向的示意图。

激光脉冲电子达到最大值时，氙原子的电离情况。

脉冲通过后的电子情况。在电离时，电子离开脉冲的方向与电场矢量的角度约为90°。

光与物质的相互作用是许多基本现象和实用技术的基础。其中最著名的是光电效应。长久以来，这一现象的起源一直是一个谜。直到阿尔伯特·爱因斯坦提出了量子理论，光电效应才为人们所理解。此后光电效应开始在光谱学、夜视设备等领域“大展拳脚”。在某些情况下，原理的关键不再是能量，而是光子转移到电子的线性动量。弄清楚这类问题，对于研究人员理解激光冷却微观/宏观物体，以及辐射压力等非常关键。

尽管动量传递非常重要，但科学家们对于光如何将动量传递给物质的精确细节仍然知之甚少。ETH量子电子学研究所Ursula Keller团队的最新成果有望填补这一空白。Keller团队在《自然通讯》杂志发文称，他们研究了高激光强度下，多光子参与电离过程，以及动量转移至激光传播方向等情况。为了获得足够的时间分辨率，Keller团队采用了attoclock技术。该技术可以在不产生阿托秒激光脉冲的条件下，实现阿托秒时间分辨率。

在attoclock技术的帮助下，Keller等就能根据光电子的“诞生时间”来确定电子获取的线性动量值。他们发现，激光在传播方向上传递的动量确实与激光振荡周期中，电子从物质中“解放”出来的时间有关。根据实验结果，Keller等认为平均辐射压力时间图不适用于他们研究的氙原子的情况。有趣的是，Keller等几乎能在经典模型中完全重现观察到的现象。而许多光与物质相互作用的场景，如康普顿散射，只能在量子力学模型中才能解释。

然而，经典模型必须加以拓展才能充分描述出射光电子和剩余氙离子之间的相互作用。Keller等在实验中发现，这种相互作用的线性动量传递时间与理论预测的在脉冲中产生的自由电子的时间相比，存在阿托秒级的延迟。这种延迟现象究竟是光离子化的一般特性，还是仅适用于本项目的个体特征，Keller等尚无定论。

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编译：雷鑫宇审稿：阿淼责编：张梦

期刊来源：《自然通讯》期刊编号：2041-1723

原文链接：

https://www.phys.ethz.ch/news-and-events/d-phys-news/2019/12/a-momentous-view-on-the-birth-of-photoelectrons.html