《PRL》重磅：哥廷根大學實現少粒子電子脈沖的阿秒整形

在超快科學這一飛速發展的領域，在電子的自然時間尺度——飛秒和阿秒——內觀察并控制其運動，一直被視為科研界的“圣杯”。由哥廷根大學 Claus Ropers 教授團隊在《物理評論快報》上發表的論文 《少粒子光電子脈沖中的飛秒與阿秒相空間相關性》（Femtosecond and Attosecond Phase-Space Correlations in Few-Particle Photoelectron Pulses），標志著我們對電子間相互作用的認知與利用發生了范式轉移。

從歷史上看，電子之間的相互排斥（即庫侖效應或空間電荷效應）一直是實現更高分辨率電子顯微鏡的主要障礙。這篇論文探討了 Ropers 團隊如何將這種曾經的“有害”力量，轉化為一種精確的工具，用于繪制和塑造電子脈沖的量子相空間。

一、 范式轉變：從噪聲到相關性

在傳統的電子顯微學中，研究人員竭力減少每個脈沖中的電子數量，以避免庫侖排斥導致的模糊。當多個電子被限制在極小的時空體積（納米和飛秒量級）內時，它們會互相推擠，導致脈沖在能量和時間上迅速擴散。在大樣本量中，這種現象表現為隨機的“噪聲”。

這篇論文的突破在于從系綜平均轉向了基于事件的探測。通過觀察僅包含少數粒子（特別是雙電子態）的脈沖，研究人員發現這種所謂的“噪聲”消失了，取而代之的是高度結構化的相空間相關性。

核心概念：少粒子脈沖中的庫侖相互作用并非隨機的，它在電子的時間位置和能量之間建立了一種確定性的聯系。如果兩個電子發射時距離很近，領先的電子會被向前推（獲得能量），而落后的電子會被向后推（失去能量）。

二、 繪制相空間：IELS 的作用

為了可視化這些相關性，研究團隊在超快透射電子顯微鏡（UTEM）中采用了一種稱為非彈性電子-光散射（IELS）的技術。

1. 制備：利用飛秒激光脈沖從納米針尖發射出極少量的電子。
2. 相互作用：這些電子隨后穿過一個光學近場。該光場充當“調制器”，將相位刻印到電子波函數上。
3. 測量：通過測量每一對電子的精確能量和到達時間，團隊重建了縱向相空間分布。

他們觀察到了驚人的雙峰結構。這種分布使他們能夠區分兩種不同的物理效應：

• 粒子間相互作用：電子通過庫侖力給彼此帶來的直接“沖擊”。
• 色散：脈沖在真空中旅行時發生的自然擴散。

三、 跨越阿秒機制：相干整形

雖然初步的相關性是在飛秒尺度上形成的，但該論文通過證明阿秒控制進一步推向了前沿。

通過應用“全局相位調制”——本質上是利用激光場來“振動”整個少電子態——研究人員在理論和實驗上證明，他們可以塑造相空間密度，從而誘導出阿秒量級的時間相關性。這意味著，盡管原始電子脈沖可能有幾個飛秒長，但脈沖內電子的相對時間和能量可以被控制在阿秒級的精度。

這帶來了一種雙電子能量后選擇的可能性：通過測量第一個電子的能量，研究人員可以“預報”或預測第二個電子的狀態，其精度達到亞飛秒級別，從而有效地繞過了通常限制超快實驗的時間抖動。

四、 科學意義與未來應用

這項工作的意義深遠，跨越了多個領域：

• 超快“阿秒顯微學”：該研究為創建比光周期更短的電子脈沖提供了藍圖，使實時“拍攝”原子和分子內部的電子運動成為可能。
• 自由電子量子信息：創造并映射相關雙電子態的能力，是產生糾纏電子對的前奏。這可能會催生一個全新的領域——“自由電子量子光學”，將電子作為“飛行的量子比特”使用。
• 定制化激發：通過控制這些電子態的相位，科學家可以產生“超輻射”發射，即電子協同工作，比獨立粒子更高效地發射光或激發樣品。

結語

Ropers 團隊的這項研究代表了人類對空間電荷極限的一次根本性勝利。它證明了曾經限制電子束發展的庫侖相互作用，現在可以被用來創建復雜的、相關的量子態。我們正在從一個僅僅“容忍”電子相互作用的時代，跨入一個在阿秒水平上工程化定制電子相互作用的時代，以探索物質最深層的奧秘。