科研进展|上科大物质学院潘义明LiFE课题组提出重建超短电子脉冲量子波函数新方法

近日，上科大物质学院潘义明教授 LiFE(光和自由电子)课题组与以色列理工学院（Technion）Michael Krueger教授，陈昭拼博后，张斌博士生等合作提出了一种新颖的量子测量技术来重建超短电子脉冲的波函数，称为自由电子谱剪切干涉术（FESSI）。该技术主要利用维恩滤波器产生两个时间延迟的量子电子波包，并进一步利用团队发明的光电调制器来精确调控电子的能谱偏移，从而把谱空间的相位信息加载到能谱的干涉图样上，实现对谱相位的测量。该技术为阿秒电子脉冲量子波函数的表征测量提供了理论可行的解决方案，进一步推进了对量子力学以及量子技术应用的发展。该成果近期发表于国际学术期刊Science Advances（sciadv.adg8516, 2023 ）。

量子力学中的波粒二象性使得我们能够用波函数图像描述电子等基本粒子。由于测量导致波函数坍缩，因此测量自由电子波函数在技术上充满挑战。另一方面，在超快领域，飞秒（10^-15s）以及阿秒（10^-18s）电子本身就是一个极其前沿及重要的测量工具，它可以用于观测分子以及固体材料里超快相干量子动力学过程，并能够实现超高的空间分辨率（10^-10m）以及超高的时间分辨率 (飞秒及以下)。但由于其时域太短，现有设备很难捕捉如此快速的响应，进行准确测量。在这种背景下，我们发现可以通过对电子的谱振幅和谱相位进行傅里叶变换揭示其在时域上完整的量子波函数。虽然精密的电子能谱仪能够测量谱振幅，但在自由空间中如何获取电子谱相位，仍然是一个富有挑战性的难题。

在最近的研究中，潘义明团队提出了FESSI技术来实现电子谱相位的测量并重建超快电子波函数。FESSI的装置涉及使用维恩滤波器产生两个时间延迟的电子波包副本，该滤波器将波包分成两条量子路径，通过使用由中红外激光驱动的光电子调制器对其中一路的电子进行能量偏移（图一），通过这两路同时具有时间和能量相对平移的量子能谱干涉并测量产生的能谱条纹，可以推导出电子能谱相位的整体分布。对相位信息和谱振幅的完整测量，使得我们可以重建自由电子量子波函数（图二）。

这项研究通过FESSI实现对超短自由电子的量子波函数的重建，对各种科学领域都有重大帮助。FESSI可用于控制和研究超快和超短电子动力学过程、探索量子基础和量子技术应用。此外，FESSI还可用于表征光电子枪、超快电子显微镜、X射线自由电子激光和强场物理中的飞秒和阿秒级电子脉冲。

图一：自由电子谱剪切干涉术（FESSI）原理。（A）使用FESSI测量超短电子波包的装置。由激光驱动的电子源产生的电子脉冲被加速并分成两个量子副本。维恩滤波器引入时间延迟，而照射在薄箔上的中红外激光脉冲使得其中一路的量子副本发生能量偏移，从而导致能谱剪切干涉。（B）在加速过程的情况下（DLA）, 激光照射的箔片对电子波包施加均匀的能量平移。其中的实线和虚线分别代表能谱幅度和相位。（C）在光子诱导近场电子显微（PINEM）过程的情况下, 电子与箔片上的近场相互作用后，电子谱中出现能量旁带。

图二：原始以及FESSI重建的自由电子波包的对比。(A) 展示了一个具有0.85 eV能谱宽度，以及二阶和三阶色散的电子波函数的谱幅度（蓝色），以及原始（橙色）和重建（紫色虚线）的谱相位。(B) 时域上，原始波函数和重建的波函数的对比。(C) 展示了一个具有8.5 eV能谱宽度，伴随二阶和三阶色散的阿秒级电子脉冲波函数。(D) 在时域上对比了原始阿秒级脉冲波函数和重建的波函数。两种情况下，重建波函数都有很高的保真度。

本项研究日前发表于Science Advances, 是由上海科技大学的潘义明教授，以色列理工的陈昭拼博士后，Michael Krüger教授，以及特拉维夫大学的张斌博士共同完成的。陈昭拼为论文的第一作者，潘义明为唯一通讯作者。研究团队提出了一种新颖的技术，自由电子谱剪切干涉术(FESSI)，来重建超短电子脉冲的量子波函数，为阿秒电子脉冲量子波函数的表征测量提供了理论可行的解决方案，进一步推进了对量子力学以及超快领域量子测量技术的理解和发展。

潘义明LiFE课题组主页：https://spst.shanghaitech.edu.cn/pym/list.htm

文章标题：

Quantum wave function reconstruction by free-electron spectral shearing interferometry

文章链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg8516