以十亿分之一秒为单位测量时间

分子内部的电子移动速度有多快?好吧，它是如此之快，以至于它们只需要几阿秒(十亿分之一秒)就可以从一个原子跳到另一个原子。眨眼，你就错过了——数百万次。因此，测量这种超快过程是一项艰巨的任务。

由RobertSang教授和IgorLitvinyuk教授领导的澳大利亚布里斯班格里菲斯大学量子动力学中心和澳大利亚阿秒科学中心的科学家们开发了一种新型干涉测量技术，能够用齐秒(十亿分之一的万亿分之一)测量时间延迟第二)决议。

他们使用这种技术测量了氢分子的两种不同同位素H2和D2发射的极紫外光脉冲与强红外激光脉冲相互作用之间的时间延迟。

发现这种延迟小于三阿秒(一秒的五分之一)并且是由较轻和较重的原子核的运动略有不同引起的。

这项研究已发表在UltrafastScience上。

第一作者MumtaHenaMustary博士解释说，“这种前所未有的时间分辨率是通过干涉测量实现的——重叠延迟光波并测量它们的组合亮度。”

光波本身是由暴露于强激光脉冲的分子在称为高次谐波生成(HHG)的过程中产生的。

当一个电子被强激光场从分子中移走，被同一场加速，然后与离子重新结合，以极紫外(XUV)辐射的形式释放能量时，就会发生HHG。XUVHHG辐射的强度和相位都对该过程中涉及的电子波函数的精确动力学敏感——所有不同的原子和分子都以不同方式发射HHG辐射。

虽然测量HHG的光谱强度相对简单——一个简单的光栅光谱仪就可以做到——但测量HHG相位是一项困难得多的任务。该阶段包含有关发射过程中各个步骤的时间安排的最相关信息。

为了测量这个相位，通常会执行所谓的干涉测量，此时具有精细控制的延迟的两个波复制品相互重叠(或干涉)。它们可以建设性地或破坏性地干涉，这取决于它们之间的延迟和相对相位差。

这种测量由称为干涉仪的设备执行。为XUV光构建干涉仪非常困难，特别是要在两个XUV脉冲之间产生和维持稳定、已知且可精细调节的延迟。

格里菲斯的研究人员通过利用称为古伊相位的现象解决了这个问题——当光波的相位在通过焦点时以某种方式移动。

在他们的实验中，研究人员使用了两种不同的分子氢同位素——自然界中最简单的分子。同位素——轻氢(H2)和重氢(D2)——仅在原子核质量上有所不同——质子在H2中，氘核在D2中。包括电子结构和能量在内的其他一切都是相同的。

由于质量较大，D2中的原子核比H2中的原子核移动得稍慢。由于分子中的核运动和电子运动是耦合的，因此核运动会影响HHG过程中电子波函数的动力学，从而导致两种同位素之间的小相移ΔφH2-D2。

此相移等效于时间延迟Δt=ΔφH2-D2/ω其中ω是XUV波的频率。格里菲斯科学家测量了在HHG光谱中观察到的所有谐波的发射时间延迟——它几乎恒定且略低于3阿秒。

为了理解他们的结果，格里菲斯研究人员得到了中国上海交通大学理论家的支持，该理论家由何峰教授领导。

上海交通大学的科学家们采用最先进的理论方法，对分子氢的两种同位素中的HHG过程进行了全面建模，包括各种近似水平下的核运动和电子运动的所有自由度。

他们的模拟很好地重现了实验结果，理论与实验之间的这种一致性让团队相信模型捕捉到了基础物理过程的最本质特征，因此调整模型的参数和近似水平可以确定各种影响的相对重要性。

虽然实际动力学相当复杂，但发现电子复合步骤中的双中心干涉是主要效应。

“因为氢是自然界中最简单的分子，它可以在理论上高精度地建模，所以在这些原理验证实验中用于对方法进行基准测试和验证，”Litvinyuk教授说。

“在未来，这项技术可用于以前所未有的时间分辨率测量原子和分子中各种光诱导过程的超快动力学。”

这项名为“XUV干涉仪测量的氢同位素高次谐波发射的阿秒延迟”的研究已发表在UltrafastScience上。