PRL：首次拍下电子运动连续画面 一圈约1/亿亿秒

王兴

论文作者：J. Mauritsson

期刊：PRL

发布时间：2008-2-25 10:48:1

首次拍下电子运动连续画面



电子运动连续画面(图)

北京时间14-2月25日消息，据国外媒体报道，由于电子的运动速度极快，过去要完整地拍摄电子的运动情况几乎是一件不可能完成的任务。但瑞典的科学家们近日称，通过一项最新研发的技术，他们首次成功地拍摄到电子运动的连贯影片。相关成果发表在美国学术期刊《物理评论快报》（PRL）上。

长期以来，拍摄电子的运动一直是一件不可能完成的任务，因为电子运动的速度非常快，拍出的照片也就会模糊不清。为了捕捉到这些高速运动的电子，极快的闪光是非常必要的，在过去，这样的闪光条件是不可能的。但是如今，瑞典伦德大学工程学院的科学家研发出一种瞬时强激光脉冲，称为“阿秒脉冲”(attosecond)，这使得人类第一次可以拍摄到电子的运动图像。瑞典伦德大学工程学院的原子物理学副教授约翰-马里茨逊说，电子围绕原子核转一周大约需要150阿秒的时间(1阿秒=10-18 秒) 。 在另一束激光的帮忙下，科学家们还成功引导一个电子与原子核进行碰撞，并拍下图像。

约翰-马里茨逊说，我们早就预言可以使用“阿秒脉冲”拍摄电子运动照片，现在终于取得成功了。我们可以研究当电子与不同物体进行碰撞时的不同结果。所拍照片可以作为我们理论的有力证据。研究者们还想发现更多的东西，比如，当内部电子离开原子核时情况是怎样的，其它电子是在何时又是如何填补逃逸电子所留下的空缺的。马里茨逊说，我们正在做的是纯基础研究。如果将来我们的研究成果能够得到实际应用，那就是对我们最好的奖赏。所拍电子运动影片的时间跨度上不过是光稍作移动的那么一瞬，但影片播放时，电子速度已被有意放慢，这样我们就能很好地观看它。影片只是以图片连续播放的形式显示了电子发送能量的过程，因此并不是一般意义上的影片。

为了测量电子的运动速度，研究组首先在没有电流通过晶体的情况下进行实验。他们施加一个短的微波脉冲让电子开始进动，由于不同之处磁场强度不一样，尽管出发时是同步的，但很快不同位置处电子的步伐就会不一致起来。不久之后，第二道脉冲迫使所有电子都在转圈圈的进程中向前跳一步，但是跳进量并不一样以使得次序反转，结果是转得最慢的跑到最前头而转得最快的落在后头。经过与前一阶段同等时间之后，重新排序的结果是所有电子自旋又恢复了出发时的整齐一致，并发出一个无线电“回声”。接下来研究组在有电流通过时开展同样的实验，此时很多电子都处在运动中，当它们经过样品不同区域时会感受到不同的磁场强度并具有不同的进动速度，这样一来第二道脉冲就无法使所有电子自旋重新同步，通过分析其无线电回声就可以知道它们运动的有多快了。

在此之前，科学家们都是用间接的方法来研究电子运动。比如，通过测量电子光谱。但是，采用这些方法只能测出电子运动的结果，而现在，科学家们却可以监测电子的整个运动过程。实际上，几年前人们就已发明出“阿秒脉冲”的方法，但直到现在人们才把它用于拍摄电子运动，这是因为，“阿秒脉冲”非常弱，难以拍出清晰的图像。马里茨逊说，他们如今使用了一种采用频闪观测仪的方法。这种频闪观测仪可以使他们将电子在某一时刻的运动“冻结”，就像抓拍鸟儿扇动翅膀的瞬间。趁鸟儿在扇动翅膀时，拍摄者在同一时刻同一位置同时拍出多张照片，这样图片就清楚了。(刘妍)

（《物理评论快报》（PRL），100, 073003 (2008) ，J. Mauritsson，K. J. Schafer）