近日，上海科技大学物质科学与技术学院光子科学与凝聚态物理研究部潘义明教授 LiFE(光和自由电子)课题组与以色列理工学院(Technion) Michael Krueger教授课题组合作开展研究，在超快电子和光相互作用系统中提出了一种基于多光子吸收和发射过程的低能自由电子量子囚禁。研究发现，低能电子(<200 eV 电子动能)与光相互作用时会被囚禁，揭示了与高能电子(200 keV，透射电镜)不同的新物理特性。他们的研究为量子模拟和电子操控开辟新途径，研究成果发表于国际学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters），并被选为编辑推荐。 本项工作展示了低能电子与强光场相互作用的光谱动力学，还发现了低能电子的电子色散曲线呈现出的新光谱特征，有望应用于电子束物理、自由电子量子光学和量子模拟器领域。
这项研究揭示了低能电子相较于高能电子在与光相互作用时所展现的新物理现象。研究团队发现低能电子不能无限地与光场交换能量，而是在能量获得上有限制，并最终被囚禁。这种囚禁效应非常强，使得相互作用有效降低到一个两能级系统，这在量子光学中常见，比如超冷原子和囚禁离子阱系统，但现在用自由电子也实现了。我们的研究可能为量子模拟和量子传感等开辟新的应用方向，其中电子与光相互作用的能量状态和能量交换可以被定制。
图1: 如何用超快激光诱导的多光子过程把一个低能自由电子囚禁在其合成能量空间中。
具体来说，研究探讨了低能电子与强光场共振相互作用的动力学过程。通过分析模型和数值模拟，团队发现了在相互作用演化过程中出现的新电子能谱特性。特别地，我们报告了由电子非相对论色散曲线曲率引起的电子光子谱限制，这是高能电子无法达到的。利用超快激光脉冲参数的可调性，可以实现几十到几百电子伏的有效囚禁宽度。我们的发现对于低能电子操控极为有用。首先，Bragg区域中只限制在几个能量边带的囚禁提供了对多级Rabi阶梯无限维度的Hilbert空间引入一种自然截断，允许进行绝热消除以去除不想要的边带和更高阶的光子过程。这种截断到Rabi振荡的两能级系统只可能在相位匹配的Bragg区域实现。其次，有限维的Hilbert空间作为一种合成的空间维度，有望进行利用激光-电子相互作用的量子模拟和量子计算。最后，低能区域中的动态囚禁有助于控制激光驱动的带电粒子加速的最大能量转移，电子束的最小束缚尺寸，以及自由电子辐射中产生的最大光子能量。
图2：低能电子光-物质相互作用中的相位匹配过程和量子调控。 (a) 低能电子的电子色散显示出强烈的非相对论色散曲率。(b) 实验示意图：一个电子进入与相位匹配的光场相互作用区域，相位匹配通过电介电光栅实现。(c) 自由电子能谱随相互作用时间的变化。初始状态是一个局域的波包，其能量宽度对应于五个光子的能量 ∆E ∼ 7.5 电子伏特（438飞秒时间跨度）。虚线表示陷阱边缘和陷阱宽度 ∆Etrap。(d) 平面波的情况。在(c)和(d)中，初始动能设定为E0 = 100 eV。光场振幅为Ef = 0.5Vnm−1，光子能量为ħω = 1.54 eV，相位为φ0 = 0。