科技日報記者 劉誌偉(wei) 通訊員 楊婷婷

12月13日，記者從(cong) 中科院武漢精密測量院獲悉，該院柳曉軍(jun) 團隊與(yu) 合作者提出了一種新穎的、完全基於(yu) 離子碎片探測的分子阿秒角條紋（亦稱分子“阿秒鍾”）方案，並采用該方案首次對氫氣分子強場電離過程中的電子隧穿時間進行了精密測量，給出了該時間的上限為(wei) 10阿秒（1阿秒=10的負18次方秒）。相關(guan) 工作發表在物理學權威雜誌《物理評論快報》上。

量子隧穿效應是指在微觀世界中，電子等微觀粒子能夠穿越高於(yu) 自身能量位壘勢的“奇異”行為(wei) 。量子隧穿效應是微觀粒子呈現出來的基本量子特性，無法用經典力學的觀點進行解釋。量子隧穿對理解眾(zhong) 多自然現象，如恒星核聚變，放射性衰變等起著至關(guan) 重要的作用，同時也是掃描隧道顯微鏡等現代科學儀(yi) 器的物理基礎。盡管如此，自量子力學建立以來，關(guan) 於(yu) 量子隧穿的一個(ge) 基本問題，即它的發生是否需要時間卻飽受爭(zheng) 議。

圖為(wei) 科研人員用於(yu) 探測研究的離子-電子關(guan) 聯動量譜儀(yi)

強激光場中的原子分子為(wei) 研究量子隧穿的阿秒時域特性提供了一種獨特的“人造隧穿”體(ti) 係。原子分子的外層電子在強激光場作用下會(hui) 通過隧穿電離方式逃逸出去，通過精密探測隧穿電子動力學行為(wei) ，可以在阿秒時間尺度下探究量子隧穿是否需要時間（即隧穿時間）這一基本物理問題。為(wei) 此，研究人員在近年提出了一種行之有效的“阿秒鍾”方案，通過將隧穿時間轉化為(wei) 隧穿電子發射角度的偏轉，從(cong) 光電子譜中讀取隧穿時間信息。有意思的是，過去十多年來，不同研究小組基於(yu) “阿秒鍾”方案，結合不同原子體(ti) 係開展研究得到的結論卻大相徑庭：隧穿電離或許瞬間發生，或許需花費百阿秒量級的時間。

圍繞研究領域存在的這一爭(zheng) 議，柳曉軍(jun) 團隊及合作者提出了一種新穎的、基於(yu) 離子碎片測量的分子“阿秒鍾”方案，將隧穿時間測量首次拓展到分子體(ti) 係。在他們(men) 的方案中，一方麵，通過巧妙利用分子強場電離伴生的碎解離子動量分布對驅動激光的偏振狀態進行原位測量，避免了傳(chuan) 統方案中因激光偏振方向標定對隧穿時間信息提取的可能影響；另一方麵，通過光離子發射角度的偏轉讀取隧穿時間信息，避免了傳(chuan) 統“阿秒鍾”方案通過電子發射角偏轉讀取隧穿時間對物理模型的依賴。

研究團隊將該方案應用於(yu) 氫氣分子的強場隧穿電離研究，實驗測量到的光離子發射角度偏轉與(yu) 第一性原理計算結果很好吻合，基於(yu) 該測量方案得到的隧穿時間上限為(wei) 10阿秒，這與(yu) 前人基於(yu) 氫原子隧穿電離研究得到的隧穿瞬間發生的結論一致。分子“阿秒鍾”方案可望拓展用於(yu) 其他複雜分子體(ti) 係，進一步研究如分子結構、分子軌道對稱性等複雜分子特性對強場隧穿電離過程的影響，進而深化對量子隧穿時間相關(guan) 問題的認識。

在這一研究中，精密測量院全威研究員主導開展了實驗測量工作，俄羅斯薩爾托夫州立大學Serov博士與(yu) 澳大利亞(ya) 國立大學Kheifets教授開展了相應的理論計算工作；Kheifets教授與(yu) 柳曉軍(jun) 研究員是該論文的共同通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃和中科院先導B專(zhuan) 項的資助和支持。