近日，浙江大学林康教授和合作者，首次发现了超快卡皮查-狄拉克效应，相关论文发在 Science 上。

图 | 左起莱因哈德·多纳（Reinhard Dörner）、康（来源：资料图）

这一发现为研究电子性质开辟了全新的技术手段，让人们可以更深入地探索电子行为，比如可以利用卡皮查-狄拉克干涉仪来作为电子波包相位的精确诊断工具。

（来源：Science）

同时，本次成果也为学科交叉提供了新见解，预计将在电子衍射成像和自由电子激光等领域发挥作用。

通过这一方法，有望在电子运动的本征时间尺度上追踪电子的相位演化，并通过电子相位信息开发精度更高的成像技术。

此前，在电子衍射成像领域，需要利用电子束衍射样品，通过衍射图案反演出样品的结构信息。

而现在，借助超快卡皮查-狄拉克效应，将能进一步通过驻波脉冲，针对电子的相位信息进行读取或整形，从而为材料科学和纳米技术的发展提供新的诊断工具。

在自由电子激光领域，这一效应可被用来调控电子束的性质。比如，驻波脉冲可被用来当作电子束的分束片或光栅，从而实现电子束的分束，进而增加自由电子激光多用户线程。

总的来说，超快卡皮查-狄拉克效应不仅为观测和理解电子的行为提供了一种全新手段，还为其他领域的应用研究和技术发展带来了新的机遇。

林康表示：“最近，我收到了电子显微成像领域的报告邀请，其他学者很好奇本次发现会和他们的领域交叉出什么新奇的结果。”

而相信随着技术的不断进步，这一效应将发挥出更重要、更深远的作用。

最简单、最重要的基本粒子之一

据介绍，电子——是世界上最简单、同时也是最重要的基本粒子之一。有趣的是在微观世界里，电子的行为更像是一种波，就像石头在水面激起的波纹一样。

当对电子波动行为进行描述时，有一个至关重要的参数——那就是相位。

科学家们长期以来一直面临着一个挑战：如何直接观测电子的相位。

电子的相位是描述电子波动性质的关键信息，对于理解许多物理现象都至关重要，比如超导。因此，实现对于电子相位的直接观测，一直是科学界的迫切需求之一。

要想测量电子波函数的相位，就必须构造一个干涉仪，通过一个已知的参考波与信号波发生干涉来读取。

但是，当使用干涉仪针对电子相位进行测量时，也有可能改变电子相位。需要说明的是，这里的“干涉仪”是广义上的测量方案，并不是狭义上的具体仪器。

简单来说，干涉仪本身对电子波函数的影响越小，那么它测得的相位信息就越准确。目前，绝大多数的干涉仪都是使用行波构造而来。

也就是说，通过几束同向传播的激光来构造干涉仪，通过光与电子的相互作用来读取电子波函数的相位信息。

2023 年诺贝尔物理学奖授予了研究阿秒物理的学者。其中一个技术发明便是构造了 RABBITT 干涉仪，来测量电子在能量域上的相位，从而得到电离延时。

审稿人：“这真的非常酷！”

而针对超快卡皮查-狄拉克效应的研究，始于林康于 2019 年在德国法兰克福歌德大学的博士后工作。

当时，他的博后导师 Reinhard Dörner 教授希望林康能“重启”这项研究。

因为早在 2014 年，Reinhard Dörner 团队就曾开展过尝试，然而一直没有取得突破。

当时，课题组的设想是直接用驻波脉冲产生并衍射电子，但却并没有看到衍射条纹。

林康接手这个课题之后，刚开始依然沿着这个思路进行了尝试，结果可想而知也失败了。

由于没有头绪应该如何改进，他暂时调整研究方向，开始了强场非偶极效应的相关研究。

非偶极效应这个课题虽然和卡皮查-狄拉克效应的物理完全不同，但是这两个课题用的却是同一套实验系统：即飞秒驻波符合测量谱仪。

非偶极效应，研究的是行波电离产生的光电子的非偶极效应，但是需要利用驻波电离的光电子来标定零点。

而卡皮查-狄拉克效应研究却完全是另一回事，即驻波被当作光栅来衍射电子波。

而在此期间，林康对设备的操控能力得到了显著提高。

两年后，该团队决定再次尝试超快卡皮查-狄拉克效应，这一次他们改变了此前的实验方案，决定采用泵浦-探测实验方法。

也就是说不同于已被广泛应用的行波干涉仪，林康等人在实验中首次利用驻波干涉仪，来测量电子的相位信息。

利用两束反向传播的激光脉冲，可以形成驻波与电子的相互作用。这时，一部分电子会发生受激康普顿散射，散射电子波与原始电子波则会发生干涉从而形成干涉条纹。

针对这一现象，该团队将其命名为超快卡皮查-狄拉克效应。通过此，他们首次将传统卡皮查-狄拉克效应拓展至时间维度，实现了对电子波运动过程中相位演化的超快时间分辨。

传统的卡皮查-狄拉克效应，最初于 1933 年由前苏联物理学家卡皮查（Kapitsa，Petr Leonidovich）和英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac）提出。

传统卡皮查-狄拉克效应由于没有时间信息，因此无法测量电子波的相位随时间的演化。

而本次研究的创新之处在于：通过“泵浦-探测”手段将产生电子和探测电子清楚地区分开来，从而能以前所未有的精度，观察电子相位的动力学演化。

通过观察电子在不同时刻穿过驻波脉冲产生的衍射条纹，可以直接获取电子的相位信息。

（来源：Science）

研究中，林康先用一束激光电离产生电子，等待一段时间后，再利用飞秒驻波来衍射电子。通过预先的理论模拟，确认了此次方案的可行性。

“最终，我在实验室第一次看到了衍射条纹，实现了从 0 到 1 的突破。”林康说。

日前，相关论文以《超快卡皮查-狄拉克效应》（Ultrafast Kapitza-Dirac effect）为题发在 Science，林康是第一作者兼共同通讯，Reinhard Dörner 教授担任共同通讯[1]。

图 | 相关论文（来源：Science）

其中一位审稿人评价称：“此前实验通过电子枪产生横向动量分部很窄的电子束，而当前实验从局域化的原子出发，并且通过激光场定位电离产生电子波包。这真的非常酷！”

家人支持促成论文发表，入职浙大再接再厉

此外，林康补充称：“我平时大部分时间都花在工作上，是我老婆一直在照顾家庭。”

在做实验那段时间，林康老婆推着婴儿车在实验室外面的草地上带孩子，林康则在实验室里优化实验条件。

调好一个实验条件之后，林康就来和她一起带孩子，同时等待实验数据累积，然后通过实验结果判断这个条件好不好。

“没有我老婆给予我的支持，我是完全没有办法花那么多时间在工作上的。不然，我估计超快卡皮查-狄拉克效应的发现至少要被延期半年以上。”林康说。

目前，已经回国并加入浙江大学任职的林康，也开始了新的研究。其表示：“现在我和团队正在更加系统性地研究超快卡皮查-狄拉克效应。”

在上述 Science 论文里，林康只测量了单个电子脉冲的相位。当有多个电子或离子纠缠在一起时，它们的相位信息也会有关联。

通过测量多个电子或电子与离子之间的相位关联，可以为理解多粒子纠缠提供新的观测量。也就是说，在现有的认识里这块拼图是缺失的。

此外，利用超快卡皮查-狄拉克效应可以实现交叉研究。手性对于认识生命的起源具有重要意义。比如，DNA 大多是右旋的。

那么手性的起源到底来自何处？通过超快卡皮查-狄拉克效应，则有望在单分子层面上加深对手性起源的理解。

即通过从手性分子释放手性电子波，然后利用驻波去衍射手性电子波，进而提取其相位信息。而这些，都是林康目前正在耕耘的新目标。

参考资料：

1.Lin, K., Eckart, S., Liang, H., Hartung, A., Jacob, S., Ji, Q., ... & Dörner, R. (2024). Ultrafast Kapitza-Dirac effect.Science, 383(6690), 1467-1470.

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