北京大学物理学院现代光学所刘运全教授和龚旗煌院士等构建了更具普适性的双指针阿秒钟，并利用这一新型阿秒钟技术，在全动量空间重构电子非稳态隧穿的势垒下动力学。相关研究成果以“新型‘相位之相位’阿秒钟技术对非稳态库仑势垒下量子隧穿的全面刻画”（Complete characterization of sub-Coulomb-barrier tunnelling with phase-of-phase attoclock）为题，2021年7月5日在线发表于《自然·光子学》（Nature Photonics）。

原子分子内部电子的运动时间在阿秒量级（1 as=10^-18 s）。在阿秒时间尺度认识电子运动规律并进行观测和调控电子动力学，已成为极端光学的一个重要前沿领域。随着超强、超短飞秒激光的问世，一种基于圆偏振或者椭圆偏振的阿秒钟技术被广泛地应用于强场物理与阿秒科学，例如测量量子力学基本问题之一的量子隧穿。在基于单色椭圆偏振或圆偏振激光的阿秒钟中，旋转的激光偏振矢量可以类比于钟表的指针，不同时刻电离的电子波包会在动量空间上被映射到不同的发射角。 对于常见的钛宝石激光器（输出波长800 nm）而言，可以实现2.7 fs /360º（即7.5as/(º)）的超高时间分辨能力。在之前关于强激光场量子隧穿的研究中，人们通常只关注激光电场峰值时刻的电子隧穿动力学；此时，激光电场幅值达到极值，激光场对时间的变化率为零——这是一种稳态隧穿近似。然而，对于强激光中更为普遍的非稳态隧穿机制，一直缺乏深入研究。

北京大学物理学院现代光学所刘运全教授和龚旗煌院士等基于超快强激光和高分辨电子离子动量成像谱仪的原子分子超快动力学实验平台，对阿秒钟技术及应用进行了深入的研究。团队采用强椭圆偏振光研究氩原子的非稳态隧穿过程，通过精确时空同步，加入另一束弱的圆偏振倍频光，构建了更具普适性的双指针阿秒钟；当改变两束光的相位时，光电子动量谱会相应地发生周期性旋转。结合“相位之相位”（phase-of-phase）光电子谱学方法，他们揭示了“相位之相位”明确的物理意义即光电子的电离时刻；通过确凿的实验数据和系统的理论模拟（经典、半经典和量子），发现在阿秒钟中角度-时间对应关系并不是线性的，而是具有能量依赖特性——这一发现更新了人们的对于阿秒钟的传统认识（下图）。利用这种新型阿秒钟技术，研究团队在全动量空间重构了电子非稳态隧穿的势垒下动力学。

（a）传统阿秒钟中稳态隧穿和非稳态隧穿示意图；（b）新型双指针阿秒钟在不同相位下的光电子动量谱；（c）实验提取的“相位之相位”谱；（d）不同电子能量处的时间-角度映射曲线

相关研究工作以“新型‘相位之相位’阿秒钟技术下非稳态库仑势垒下量子隧穿的全面刻画”（Complete characterization of sub-Coulomb-barrier tunnelling with phase-of-phase attoclock）为题，2021年7月5日在线发表于《自然·光子学》（Nature Photonics）；北京大学物理学院2020届博士毕业生（现苏黎世联邦理工学院博士后、欧盟“玛丽·居里学者”）韩猛为第一作者，刘运全为通讯作者。

上述研究工作得到国家自然科学基金、欧盟“地平线2020”计划，及纳光电子前沿科学中心、量子物质科学协同创新中心、极端光学协同创新中心、北京大学长三角光电科学研究院、北京量子信息科学研究院等支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-021-00842-7