自由电子激光眼中的三体量子世界

来源：中科院之声

三体问题（three-body problem），天体力学中的基本力学模型，研究三个可视为质点的天体在相互之间万有引力作用下的运动规律问题，比如太阳系中的太阳、地球和月亮。

三体问题一直是困扰人类的基本科学问题，看似简单却十分复杂。三体运动轨迹非常敏感，它们的质量、位置和初始速度，这些量的微小变化，都有可能导致无法准确预言的混沌状态。

牛顿、开普勒、庞加莱、拉格朗日、欧拉等杰出的数学家、物理学家和天文学家都曾为此探索。然而，现在人们能够认识的，也仅仅是特定情况下的周期性运动规律而已。

图1：(a)太阳地球月亮宏观三体运动示意图和(b)氦原子中原子核和两个电子的微观量子三体运动示意图（（a）图片来自网络）

量子微观世界中的三体问题 

类似于经典三体问题，量子微观世界中也存在这样的复杂三体问题。比如氦原子的双电子激发态（如图1(b)），由于原子内库伦相互作用，激发态中两个电子之间存在径向和角度的强关联。

随着光子激发能量接近双电子电离阈值和双电离，也存在电子周期性运动轨道到量子混沌的现象，实现量子规律到经典现象又到量子规律的跨越，是科学家研究和认识经典三体问题的理想微观体系。 

图2：氦原子双激发态双通道量子干涉示意图 

图2勾画出的是氦原子双电子激发态形成的示意图，这里涉及到经典的量子规律“which-way”问题，最终FANO线型的形成可以看成两个不可区分的量子通道干涉形成的，不同线型反映出通道之间的强弱关联相互作用。

激光家族新秀：短波自由电子激光

短波自由电子激光是由高速运动的自由电子与自身电磁场相互作用而产生的相干光，它是近年来激光家族的新秀，其特点为高亮度、波长可调和超短脉冲。这个大型科学平台的出现，已经让科学家们发现了许多神秘的新物理现象和新物质态，比如黑洞分子和空穴原子等。

自由电子激光在新能源材料和生物复杂分子相干成像等领域都有着非常重要的突破。

操纵氦原子中双激发态，认识三体强关联

科学家通过调节波长，锁定氦原子双激发量子干涉过程，直接观察氦原子双激发态的产生演化，并通过改变激光参数来调控双激发态的变化。同时，当强的自由电子激光照射一个原子，原子的电子结构会发生“扭曲形变”， 也可以看成“瞬时”新量子态（如图3所示）。 

图3：短波自由电子激光与氦原子相互作用原理示意（图片来自Christian Ott等，Phys. Rev. Lett. 123,163201(2019)）

近期，中科院上海高研院利用短波强自由电子激光，成功操纵了氦原子中双激发态。该研究首次发现双激发态受到激光场强度扭曲的一些特殊规律，让人们认识到如何通过外场激光调控物质中电子对快速演化，以及重新认识三体强关联规律。

这种单原子变化，对认识探索强激光与物质在最基本层面上的相互作用，是非常有意义的。这也是未来研究强场材料物理和物理化学的重要基础。微观量子三体强关联的新研究将进一步提升人们对宏观三体问题的认识。 

该实验是在德国海德堡马普所组织下，通过和中科院上海高研院的江玉海研究员课题组合作，在德国汉堡FLASH光源上完成。该研究对正在建设进行中的上海SFEL光源和SHINE光源建设以及未来将开展的科学研究方向有指导作用。

相关结果 "Strong-Field Extreme-Ultraviolet Dressing of Atomic Double Excitation" 发表于 Phys. Rev. Lett. 123,163201(2019)。该工作同时作为编辑推荐（Editors' Suggestion） 与 APS Physics 精选论文（“Featured in Physics”），获得了推荐点评（Synopsis: Distorting Helium Atoms with XUV Light）。

来源：中国科学院上海高等研究院