電子是世界上最簡單、同時(shí)也是最重要的基本粒子之一。實(shí)現(xiàn)對(duì)電子相位的直接觀測是科學(xué)家們面臨的一項(xiàng)長期挑戰(zhàn)。3月29日上線的Science雜志刊登了來自浙江大學(xué)林康研究員、德國法蘭克福歌德大學(xué)Reinhard D?rner教授和合作者們的研究論文Ultrafast Kapitza-Dirac effect，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)了超快卡皮查-狄拉克效應(yīng)。這為研究電子性質(zhì)帶來了全新的技術(shù)手段：通過拍攝電子脈沖在不同時(shí)刻穿過駐波脈沖產(chǎn)生的衍射條紋，人們可以直接觀測電子的相位信息。 

我們知道，一束光在經(jīng)過光柵后會(huì)發(fā)生衍射。物理學(xué)家卡皮查和狄拉克在1933年提出，當(dāng)電子束經(jīng)過一個(gè)持續(xù)駐波光場時(shí)，同樣也會(huì)發(fā)生衍射，這就是傳統(tǒng)的卡皮查-狄拉克效應(yīng)。由于技術(shù)限制，該現(xiàn)象直到2001年才被美國科學(xué)家首次實(shí)驗(yàn)證實(shí)。傳統(tǒng)卡皮查-狄拉克效應(yīng)的妙趣在于：波粒二象性的本質(zhì)在這個(gè)效應(yīng)中得到了最完美的闡述，粒子和波的角色轉(zhuǎn)換了兩次，電子從粒子變成了波，而光柵則從實(shí)體的材料變?yōu)榉菍?shí)體的光場。

動(dòng)量譜儀原理示意圖

在這項(xiàng)研究中，林康和Reinhard D?rner提出采用泵浦-探測方案對(duì)傳統(tǒng)的卡皮查-狄拉克效應(yīng)進(jìn)行拓展。新方案重置了觀測對(duì)象和手段：先用一束飛秒脈沖電離中性原子產(chǎn)生電子脈沖，然后再用一束時(shí)間延遲的飛秒駐波去衍射該電子脈沖。“我們把觀測對(duì)象從持續(xù)的電子束變換為電子脈沖，同時(shí)，把觀測手段從持續(xù)的光子駐波轉(zhuǎn)換為光子脈沖形成的瞬時(shí)駐波?！绷挚嫡f。

圖：超快卡皮查-狄拉克效應(yīng)衍射條紋

不妨簡單地將實(shí)驗(yàn)理解成給運(yùn)動(dòng)員拍照，新升級(jí)的方案增加了“連拍”功能，光子駐波的每一次脈沖就等效于一次“快門”，多次脈沖就能對(duì)電子脈沖進(jìn)行“連拍”?！斑\(yùn)動(dòng)員”就是電子脈沖，其不停變化的“動(dòng)作”都可以被快門記錄。這樣，我們就得到了一組不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)員照片。在這里，時(shí)間就像一把尺，將電子脈沖運(yùn)動(dòng)的過程直觀地切分成了多個(gè)畫面，實(shí)現(xiàn)超快動(dòng)力學(xué)分辨。

最終，超快卡皮查-狄拉克效應(yīng)清晰地展現(xiàn)在研究團(tuán)隊(duì)眼前。連拍圖像完美呈現(xiàn)了電子脈沖在不同時(shí)刻被光子駐波脈沖衍射后的畫面。其中，光子脈沖駐波以60飛秒的“快門”、間隔100飛秒進(jìn)行“連拍”，記錄了電子脈沖隨時(shí)間的演變。相比而言，傳統(tǒng)的卡皮查-狄拉克效應(yīng)沒有時(shí)間快門，它呈現(xiàn)的是靜態(tài)畫面。

圖：超快卡皮查-狄拉克效應(yīng)連拍

林康介紹，這項(xiàng)研究將傳統(tǒng)卡皮查-狄拉克效應(yīng)進(jìn)一步拓展至?xí)r間維度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電子運(yùn)動(dòng)過程中相位演化的超快時(shí)間分辨。雜志審稿人認(rèn)為：論文非常好且清晰，數(shù)據(jù)非常令人興奮，觀測結(jié)果是新的且重要的，應(yīng)該立即發(fā)表。這些實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要前景是可以使用卡皮查-狄拉克干涉儀作為電子波包相位的精確診斷工具。

浙江大學(xué)物理學(xué)院研究員林康為第一作者和共同通訊作者，德國法蘭克福歌德大學(xué)教授Reinhard D?rner為共同通訊作者，其他共同作者包括德國馬克斯普朗克研究所梁昊博士，德國法蘭克福歌德大學(xué)Sebastian Eckart, Alexander Hartung, Sina Jacob, Qinying Ji, Lothar Ph. H. Schmidt, Markus S. Sch?ffler, Till Jahnke, Maksim Kunitski。   

論文DOI: 10.1126/science.adn1555