专题: 超快原子分子光物理
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2025, 74 (15): 150201.
doi: 10.7498/aps.74.20250388
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分子的几何相位效应, 也称为分子Aharonov-Bohm效应, 源于对势能面锥形交叉结构的研究. 在核构型空间环绕锥形交叉点时, 绝热的电子波函数会获得π的相位, 导致其符号反转; 而核的波函数也需相应地改变符号, 保持总波函数的单值性. 该相位与锥形交叉结构拓扑相关, 只有适当地引入分子几何相位才能在绝热表象下准确地描述量子体系的动力学行为. 在透热表象下, 可以隐式地处理几何相位效应以及核-电子的非绝热耦合问题. 本文基于几何相位的量子动力学方法, 设计了一种可以直接提取分子动力学中几何相位的方法. 该相位不同于由锥形交叉拓扑结构导致的量子化的π相位, 它是连续变化的, 是量子体系在投影希尔伯特空间演化时, 几何相位的一种规范不变的表示. 本文的研究为探索分子几何相位及其效应开辟了一个新视角, 并有望为实验研究分子动力学中的几何相位提供一个可能的观测量.
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2025, 74 (15): 150301.
doi: 10.7498/aps.74.20250483
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康普顿散射是指强激光场与物质中电子相互作用导致光子发射的非弹性散射过程. 近年来, 随着X射线自由电子激光器迅速发展, X射线激光的强度逐渐增大, X射线单光子康普顿散射过程的信号逐渐增强. 本文基于非微扰量子电动力学的频域理论研究强X射线激光场下束缚电子的单光子康普顿散射过程. 发现随着入射光子能量的增大, 在背向散射时康普顿散射双重微分概率会逐渐降低. 本工作为高频强激光场中康普顿散射与原子电离之间建立了联系, 为探索高激光强度下的原子结构动力学提供了一个研究平台.
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2025, 74 (15): 153303.
doi: 10.7498/aps.74.20250459
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阿秒钟技术为研究原子分子强场电离过程中电子超快动力学提供了强有力的工具. 该技术依赖定量理论模型从实验测量得到的光电子频谱反演电离过程中系统的超快时域信息, 而构建定量强场理论模型的关键问题之一是库仑效应的理论描述. 与原子相比, 分子具有多中心库仑势, 在外场中具有许多新的效应, 这为检验定量理论模型的适用性提供了更广阔平台. 本文针对拉伸到大核间距的分子的阿秒钟特征观测量, 比较了不同理论模型的预言, 指出最近提出的半经典响应时间理论预言与数值实验结果更一致. 该理论强调, 与具有经典性质的远核库仑效应相比, 具有量子性质的近核库仑效应对分子隧穿电离影响更显著. 本文进一步展望了该理论模型在具有电荷共振、固有偶极、取向效应以及复杂库仑势形式的分子强场电离中的应用.
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2025, 74 (15): 158702.
doi: 10.7498/aps.74.20250573
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飞秒激光激发非线性材料是目前太赫兹的关键产生技术之一, 其由于具有超快时间分辨、超宽频谱分布等优点, 已广泛应用于太赫兹表征与测量、感知与成像等方面. 然而通过微结构等对太赫兹波的调控方法只能对太赫兹传输过程进行调控, 且面临设计困难、工艺复杂等障碍, 难以在产业上广泛应用. 本文通过引入脉冲整形系统改变飞秒激光脉冲的时间色散, 可以直接调控飞秒激光与铌酸锂晶体的相互作用过程, 从而对太赫兹产生过程进行直接调控. 同时利用冲击受激拉曼散射模型与黄昆方程, 对太赫兹波的产生过程进行仿真模拟, 证明了利用飞秒激光脉冲时间色散调控太赫兹波的可行性. 这一结果对于未来基于铌酸锂晶体的片上太赫兹源主动调控具有重要的借鉴意义.
专题: 超快原子分子谱学仪器与测量方法
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2025, 74 (15): 150702.
doi: 10.7498/aps.74.20250534
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近年来, 阿秒极紫外脉冲的产生与相关谱学测量技术的发展, 为研究电子动力学提供了强有力的工具. 阿秒时间尺度上的研究, 能够实时追踪原子分子的电子运动, 测量电子波包演变及其量子特性, 对于揭示电子在原子或分子内部的复杂动力学过程至关重要. 基于阿秒极紫外脉冲串光源发展起来的高能量分辨光电子干涉仪, 以其独特的高能量和高时间分辨特性在阿秒脉冲串光源的表征、原子分子光电离时间延迟、光电子量子态测量以及激光诱导电子动态干涉等动力学研究中实现了重要的应用. 本文围绕建立的先进阿秒串光源和高能量分辨电子谱学测量方法, 对高能量分辨的阿秒超快光电子干涉技术及其应用进行详细介绍, 并基于相关研究进展对阿秒光电子超快动力学以及量子系统相干调控的前景进行了展望.
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2025, 74 (15): 153301.
doi: 10.7498/aps.74.20250647
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阿秒电离动力学作为超快科学的重要研究方向, 其关键实验方法与理论模型的突破对于揭示物质的超快演化过程具有重要的科学意义. 强场多光子跃迁干涉方法是该领域的前沿技术之一, 利用量子路径干涉原理实现对强场多光子电离动力学过程的阿秒时间分辨探测, 已广泛应用于从原子到复杂分子体系中量子态分辨的阿秒级电离延迟测量与表征, 为强场物理研究提供了全新的时间分辨视角. 本文围绕强场多光子跃迁干涉方法在原子与分子强场多光子电离时间延迟探测中的应用展开, 系统阐述该方法的量子干涉机制, 总结近年来原子分子阈上电离动力学及共振量子态间阿秒级时间延迟研究方面的最新进展, 并展望了该技术在未来可能的应用前景与面临的挑战.
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2025, 74 (15): 153302.
doi: 10.7498/aps.74.20250546
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阿秒瞬态吸收光谱是一种全光学泵浦-探测光谱技术. 该技术利用阿秒脉冲(极紫外至软X射线区间)激发或探测应用体系, 实时追踪电子跃迁、量子态演化及能量传递等过程, 为揭示电子和核相关超快动力学机制提供了前沿研究手段. 其核心优势在于: 1)同时具备超快时间(亚飞秒级)和精细光谱(meV级)分辨能力; 2)宽谱阿秒脉冲同时激发多个量子态, 实现多能级并行探测; 3)内壳层-价态跃迁的元素与位点特异性, 使其能够解析电荷转移、自旋态变化及局域结构演化. 目前, 阿秒瞬态吸收光谱已在原子分子物理、电子相干动力学及强场物理等研究领域取得重要突破. 本文系统地阐述了阿秒瞬态吸收光谱的技术原理, 重点分析其在气相和凝聚相体系的应用进展, 展望其在超快物理化学和量子材料等领域的应用前景. 同时, 针对阿秒激光发展趋势和探测技术特点, 探讨了阿秒瞬态吸收光谱技术未来发展方向.
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2025, 74 (15): 153701.
doi: 10.7498/aps.74.20250415
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随着激光冷却原子分子技术和全空间电子离子成像技术的日益成熟与发展, 运用动量成像技术研究冷原子特征属性和碰撞动力学是一个新兴方向, 并且发展了一系列高分辨的电子离子探测装置, 在冷分子反应、里德伯原子、核衰变、玻色-爱因斯坦凝聚光电离与冷等离子体、冷原子与离子/电子碰撞、冷原子相干控制、强场超快等研究方向取得一系列创新成果. 本文综述了相关领域具有代表性的仪器以及相应的重要成果, 最后对成像技术在冷原子上述各相关研究领域中的应用进行相应的总结, 并展望了未来的发展趋势.
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2025, 74 (15): 154202.
doi: 10.7498/aps.74.20250698
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飞行时间光电子谱仪(time-of-flight photoelectron spectrometer, TOF-PES)作为超快电子动力学研究的核心工具, 凭借其数十皮秒量级的飞行时间分辨率与宽能量探测范围, 在阿秒脉冲表征与强场量子过程研究中提供了不可替代的技术支撑. 本文尝试系统地总结飞行时间光电子谱仪的技术原理与发展历程, 探讨磁瓶式高分辨率谱仪技术在电子轨迹控制与收集效率提升方面的突破, 并结合双光子跃迁干涉阿秒拍频重构、阿秒条纹相机等实验技术分析其在阿秒脉冲表征中的关键作用. 此外, 还介绍了TOF技术与其他高精度探测手段之间的融合应用, 包括角分辨光电子能谱、冷靶反冲离子动量谱仪及速度成像谱仪, 展示其在获取多维电子动力学信息方面的潜力. 最后对TOF技术瓶颈以及未来发展方向进行了探讨.
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2025, 74 (15): 153201.
doi: 10.7498/aps.74.20250550
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以软X射线相干光源作为超快探针的瞬态吸收光谱技术在化学、生物、材料领域有着广泛的应用前景. 本文介绍一种基于桌面式软X射线光源的瞬态吸收装置的设计, 该装置利用短波红外激光来驱动软X射线高次谐波阿秒光源的产生, 最大光子能量进入水窗波段(>300 eV). 产生的阿秒光源与近红外激光通过孔镜合束实现了泵浦探测光路的时空同步, 1 h内时间稳定性优于10 fs. 利用该装置开展了氩L边及碳K边瞬态吸收光谱的初步研究, 为实现元素分辨、时间分辨、跃迁通道分辨的电子动力学测量提供了重要的工具.
专题: 极端条件原子分子动力学
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2025, 74 (15): 153401.
doi: 10.7498/aps.74.20250533
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散射截面和反应速率系数是阐明分子气体态-态碰撞传能机制的重要参数, 也是进行非平衡气体动力学建模的重要依据. 本文采用动力学模拟中的准经典轨迹方法(QCT)计算了90个不同初始振动态组合的N2(v) + O2(w)碰撞过程, 详细讨论了各个振动激发、解离反应通道的贡献和演变趋势. 研究发现: O2和N2在振动-振动能量交换(VV)通道的贡献比较接近, 振动-平动跃迁(VT)通道主要以O2为主; 总解离截面主要来自O2单解离通道, 交换解离其次, N2单解离和双解离通道的贡献相对较小. 基于QCT数据集, 训练了性能良好的神经网络模型(相关系数R值达到0.99), 可用于预测N2 + O2态-态碰撞的总解离截面. 和仅采用动力学模拟方法相比, 计算成本降低了约91.94%. 在5000—30000 K高温范围内, 给出了VV/VT速率系数的解析表达式.
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2025, 74 (15): 154102.
doi: 10.7498/aps.74.20250634
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离子与物质相互作用中的电荷转移过程研究对于离子束驱动高能量密度物理、材料离子辐照损伤、离子束电荷剥离技术等领域至关重要. 本文利用激光驱动靶背鞘层场加速机制产生了能量在数MeV量级的碳离子束, 测量了碳离子束穿过具有孔状结构的C9H16O8泡沫靶后的电荷态分布. 实验结果与理论对比发现, 只有同时考虑了电离、俘获、激发和退激等过程的速率方程结果与实验符合很好. 采用气体靶截面数据求解速率方程获得的平衡电荷态低估了实验值, 原因在于泡沫结构靶中固态纤维丝引起的靶密度效应导致离子电荷态升高. 当离子能量高于3 MeV以上时, 实验值与采用了固态靶截面数据的速率方程理论预期一致; 但在低能区出现明显偏差, 原因在于当入射能量小于3 MeV时, 离子激发态寿命小于碰撞时间尺度, 激发态电子在发生第二次碰撞之前退激发回到基态, 靶密度效应减弱, 平均电荷态降低, 实验结果与详细考虑了激发和退激过程的ETACHA程序预期吻合. 该工作为理解离子束与物质相互作用微观机制以及电荷转移模型检验提供了数据和参考.
专题: 原子分子和材料物性数据
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2025, 74 (15): 152501.
doi: 10.7498/aps.74.20250581
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N3+离子与基态He原子碰撞过程在天体物理、星际空间和实验室等离子体环境中具有重要研究意义. 本文采用从头算的多参考单双激发组态相互作用方法精确计算了[NHe]3+碰撞体系的分子结构参数, 包括势能曲线和耦合矩阵元等. 基于计算得到的结构参数, 采用全量子分子轨道强耦合方法开展了低能N3+离子与He原子碰撞电荷转移过程研究, 获得了能量在3.16 × 10–3 eV—24 keV(即2.25 × 10–4 eV/u—1.73 keV/u)范围内的总单电荷、双电荷转移截面和态选择截面. 在计算中考虑了电荷平动因子、高角动量态对碰撞过程的影响, 发现高角动量态对电荷转移截面具有显著影响. 与现有实验和理论结果相比, 当前计算的单电荷和双电荷转移截面与实验测量值更为接近. 相较于Liu等(2011 Phys. Rev. A 84 042706 )未考虑高角动量态的研究, 当碰撞能量大于10 eV/u时, 其总单电荷转移截面约高出当前计算值2—3倍, 表明高角动量态对电荷转移过程具有显著影响. 同时研究表明单电荷转移截面远大于双电荷转移截面, 在碰撞电荷转移过程中占据主导地位. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00165 中访问获取.
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2025, 74 (15): 153102.
doi: 10.7498/aps.74.20250611
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本文基于多组态Dirac-Fock方法(multi-configuration Dirac-Fock, MCDF)和组态相互作用方法(configuration interaction, CI)系统计算了类锂等电子序列Z = 6—51间C3+, F6+, Mg9+, P12+, Ar15+, Sc18+, Cr21+, Co24+, Zn27+, As30+, Kr33+, Y36+, Mo39+, Rh42+, Cd45+, Sn37+, Sb38+共17种离子$ 1{{\rm s}}^{2}{nl}~ ({n}{}\leqslant{}4, \;{l}{}\leqslant{}{3)} $对应的15个能级激发能以及能级间的所有电偶极(E1)、磁偶极(M1)和电四极(E2)跃迁速率. 将所得计算结果与NIST数据库及先前的一些理论结果进行对比, 当前的绝大部分激发能计算结果与NIST数据的差异在0.02%以内, 且显著优于先前同样采用MCDF+CI方法得到的理论结果. 而大部分跃迁速率计算结果与NIST数据的差异亦在5%以内, 部分与NIST数据差异较大的激发能以及跃迁速率数据, 当前的结果与先前同样采用MCDF+CI方法得到的理论结果相符, 这一结果提示未来需对这些跃迁进行更加深入的理论和实验研究. 本研究可为未来天体和实验室等离子体的实验诊断和理论模拟提供了精确的数据支撑. 本文数据集可在https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00154 中访问获取.
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2025, 74 (15): 153103.
doi: 10.7498/aps.74.20250568
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利用多组态Dirac-Hartree-Fock方法对类碳等电子序列(Z = 10, 14, 32, 36, 50)1s22s22p2和1s22s2p3组态的能级结构和电偶极跃迁行为进行理论研究. 在构建充分包含电子关联效应、规模适当的波函数后, 考虑Breit相互作用、量子电动力学效应和原子核质量效应, 比较分析了价-价关联效应、实-价关联效应和实-实关联效应对原子态激发能的影响, 完成了原子态激发能的高精度理论计算. 与其他理论结果相比, 本文计算的Ne V离子的激发能结果与NIST (National Institute of Standards and Technology)数据最为接近; 其他离子的激发能也具有较好的精度. 在此基础上, 结合LS耦合的原子态混合成分和NIST数据, 对出现的原子态命名情况进行分析, 推测了相应的原子态命名. 本文还计算了组态间电偶极跃迁的谱线波长、跃迁速率、线强和加权振子强度, Ne V和Si IX离子的谱线波长与NIST数据符合得很好, 相对误差小于0.62%; 跃迁速率与其他理论结果比较一致. 另外, 本文计算得到的Babushkin和Coulomb两种规范的电偶极跃迁参数具有良好的一致性, 进一步证明了本文采用的理论方法的准确性和可靠性. 本文数据集可在https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00145 中访问获取.
