新技術實現電子相位信息直接觀測

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電子是世界上最簡單、同時也是最重要的基本粒子之一。實現對電子相位的直接觀測是科學家們面臨的一項長期挑戰。

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動量譜儀原理示意圖（浙大供圖）

3月29日，《科學》雜志刊登浙江大學研究員林康、德國法蘭克福歌德大學教授Reinhard D?rner和合作者們的研究論文，他們在實驗中首次發現了“超快卡皮查-狄拉克效應”。這為研究電子性質帶來了全新的技術手段，通過拍攝電子脈沖在不同時刻穿過駐波脈沖產生的衍射條紋，人們可以直接觀測電子的相位信息。 

“這項研究將傳統卡皮查-狄拉克效應進一步拓展至時間維度，實現了對電子運動過程中相位演化的超快時間分辨。”林康告訴《中國科學報》。

一束光在經過光柵后會發生衍射，物理學家卡皮查和狄拉克在1933年提出，當電子束經過一個持續駐波光場時，同樣也會發生衍射，這就是傳統的卡皮查-狄拉克效應。由于技術限制，該現象直到2001年才被美國科學家首次實驗證實。

傳統卡皮查-狄拉克效應的妙趣在于：波粒二象性的本質在這個效應中得到了最完美的闡述，粒子和波的角色轉換了兩次，電子從粒子變成了波，而光柵則從實體的材料變為非實體的光場。

在這項研究中，林康和Reinhard D?rner提出采用泵浦-探測方案對傳統的卡皮查-狄拉克效應進行拓展。新方案重置了觀測對象和手段：先用一束飛秒脈沖電離中性原子產生電子脈沖，然后再用一束時間延遲的飛秒駐波去衍射該電子脈沖。“我們把觀測對象從持續的電子束變換為電子脈沖，同時，把觀測手段從持續的光子駐波轉換為光子脈沖形成的瞬時駐波。”林康說。

可以將實驗理解成給運動員拍照，新升級的方案增加了“連拍”功能，光子駐波的每一次脈沖就等效于一次“快門”，多次脈沖就能對電子脈沖進行“連拍”。“運動員”就是電子脈沖，其不停變化的“動作”都可以被快門記錄。這樣，我們就得到了一組不同時刻的運動員照片。在這里，時間就像一把尺，將電子脈沖運動的過程直觀地切分成了多個畫面，實現超快動力學分辨。

最終，超快卡皮查-狄拉克效應清晰地展現在研究團隊眼前。連拍圖像完美呈現了電子脈沖在不同時刻被光子駐波脈沖衍射后的畫面。其中，光子脈沖駐波以60飛秒的“快門”、間隔100飛秒進行“連拍”，記錄了電子脈沖隨時間的演變。相比而言，傳統的卡皮查-狄拉克效應沒有時間快門，它呈現的是靜態畫面。

雜志審稿人認為，論文數據非常令人興奮，觀測結果是新的且重要的。這些實驗的一個重要前景是可以使用卡皮查-狄拉克干涉儀作為電子波包相位的精確診斷工具。

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.adn1555