我国学者实现孤立原子隧道电离的量子光学调控

在超快科学与强场量子光学领域，隧道电离作为高次谐波产生和阿秒脉冲合成的首要物理步骤，是探索电子本征时间尺度动力学演化的物理基础。然而，传统强场技术主要依赖于通过提升经典相干光场强度来增强非线性响应的物理模式，这面临着材料辐射损伤阈值的根本性制约。

为了解决这一长期存在的限制，华东师范大学吴健教授研究团队利用非经典光场的本征统计特性，在孤立原子体系中成功观测到由于光场非经典振幅涨落引起的隧道电离非线性增强，实现了超过 20 倍的量子增益，并通过调节光场的二阶相干函数完成了对强场超快过程的主动控制。该项在孤立原子层面实现隧道电离量子增强与调控的跨学科突破，相关成果于5月20日发表在国际权威学术期刊《自然》（Nature）。

Credit: Nature

强场非线性光与物质相互作用是超快光学、阿秒科学以及极端非线性光学的基础。在这些激光驱动的非线性过程中，隧道电离是一个关键的物理机制。它不仅在飞秒化学中发挥着基础作用，还是产生高次谐波以及合成阿秒脉冲的首要物理步骤，为人类在电子本征时间尺度上直接探索其动力学演化奠定了技术基础。然而，基于传统相干光源的强场技术通常需要通过提升激光脉冲的能量和聚焦强度来增强非线性响应。这种依赖提高经典光强的方法在实际应用中面临严重的物理限制，因为极高的激光强度极易导致相互作用介质或光学元件发生辐射损伤。

为了突破材料损伤阈值对经典强场物理发展的限制，研究人员开始探索利用量子光源的本征统计特性来增强非线性效应。以明亮挤压真空为代表的非经典光源，凭借其特有的非经典光子数统计和增强的振幅涨落特性，为非线性增强提供了新的物理途径。这类非经典光场可以在较低的平均激发功率下，利用瞬时场强的剧烈涨落实现更高的非线性转换效率，从而有望在较低的平均能量下诱导出极强的非线性响应。

尽管此前已有研究在固体材料或金属纳米尖端中观测到了量子光的增强效应，但在最基础的孤立原子体系中，由于常见稀有气体的电离能普遍较高，实验上面临着明亮挤压真空光源聚焦强度不足的巨大挑战。如何在孤立原子层面，通过实验获得光场量子统计特性在光电子谱上留下的确凿特征证据，并实现主动量子调控，在国际上此前一直是个尚未解决的难题。

为了克服现有明亮挤压真空光源的作用强度限制并排除材料特定效应对物理图像的干扰，华东师范大学吴健教授研究团队选择了电离势仅为 5.14 电子伏特的钠原子作为实验对象。钠原子的低电离势能够有效降低对驱动光强的苛刻要求，并且作为单原子气体靶，它能够提供一个完全没有集体效应和材料特异性干扰的理想纯净物理体系。

在实验设计中，研究团队分别构建了经典相干光与明亮挤压真空量子光两套光源体系。相干光源由商业化的光学参数放大器产生，中心波长为 1580 纳米，脉冲宽度为 70 飞秒。而明亮挤压真空光源则利用同源泵浦脉冲在两个级联的贝塔硼酸钡非线性晶体中通过高增益共线频率简并参量下转换过程产生。产生的明亮挤压真空光谱范围涵盖 1400 纳米至 1800 纳米，中心波长同样匹配在 1580 纳米，其脉冲宽度测得约为 150 飞秒。为了满足角条纹测量的要求，实验中利用宽带四分之一波片将两套光场的偏振状态均设置为椭圆率 0.7 的椭圆偏振光。

在超高真空反应室中，两束光分别被紧密聚焦在稀薄的钠原子蒸汽射流上。为了实现对微弱信号的高精度测量并排除背景噪声干扰，实验依托冷靶反冲离子动量谱仪，对单次相互作用中产生的光电子和母体钠离子进行符合探测。通过施加严格的符合筛选条件，研究团队精准提取出了单电离通道中的电离事件，并重构出了三维光电子动量与动能分布。

为了阐明非经典光场如何实现隧道电离的量子增强，研究团队对比了半经典理论与全量子理论的物理图像。传统的半经典模型将光场视为确定且均匀的电振幅数值，电离率对其呈现非线性指数级依赖，这无法体现光场的非经典统计涨落。而在全量子理论中，多模明亮挤压真空光场的场强呈现出剧烈的量子涨落，其涨落规律服从多模高斯概率分布。由于隧道电离对场强具有强烈的指数级非线性依赖，在高场强区域出现的瞬时极强涨落，在电离过程的累积贡献中占据了主导地位。非经典光场的这种强涨落特性通过光子与电子的量子纠缠传递给发射出的电子，重新分配了电离概率，从而在低平均能量下实现了显著的电离产率增强与光谱能谱的展宽。

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实验测量获得的数据证实了上述物理图像和理论预测。在电离产生的电子数统计分布中，经典相干光驱动产生的电子数分布紧密遵循泊松分布。这表明经典的强场非线性电离过程完全保留了相干光的泊松光子数统计特征。与之形成鲜明对比的是，明亮挤压真空驱动产生的电子数分布展现出了显著展宽的非泊松分布特征，这表明其涨落明显超出了泊松分布的范围。这直接证明了电离电子数统计通过光-电子纠缠机制继承了明亮挤压真空光源自身的非经典统计特性。

Credit: Nature

在光电子能谱的测量中，研究团队利用角条纹标定技术，将电离瞬间的光场瞬时矢量势直接关联至光电子的末态峰值动量，并以此作为基准来精确校准两种光场的等效作用强度。实验结果表明，当平均脉冲能量仅为 300 纳焦的量子光产生的光电子峰值动量与相干光一致时，相干光所需的平均脉冲能量高达 7.1 微焦。这提供了一个明确的定量证据，证明在平均脉冲能量降低至相干光二十几分之一的条件下，通过调控量子统计特性，可以在孤立原子体系中获得超过 20 倍的非线性增强效应。在相同的峰值动量位置下，相干光驱动的光电子能谱呈现一个狭窄且集中的单峰，而明亮挤压真空驱动的光电子能谱则在相同峰值之外，展现出了显著的高能区域分布，实现了光谱在强场区域的展宽。

除了实现非线性效应的量子增强，研究团队还通过实验展示了在不增加总能量的前提下对强场非线性过程的主动调控。在实验中，团队保持明亮挤压真空光场的平均脉冲能量恒定，通过系统性地改变泵浦晶体的泵浦功率来调节其有效模式数以及单模挤压参数，从而实现对二阶关联函数的精密微调。

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实验结果表明，随着二阶相干函数g⁽²⁾的数值从接近经典相干光的 1.00 逐步增加到 1.39，在总平均能量没有发生任何改变的情况下，电离出的光电子能谱峰值位置系统性地向高能方向移动。这一调控规律在物理上可以由多模挤压理论进行定量阐释。对于同等挤压的多模量子光源，其零延迟二阶相干函数与其有效模式数满足特定的反比对应关系。在总光子数或平均能量恒定的条件下，由于每个模式中的平均光子数与模式数成反比，各独立模式所对应的有效流强也与模式数成反比。

通过将上述关系进行联立，研究团队在国际上首次确立了有效场强、总平均能量与二阶关联函数之间的线性标度关系。这一线性规律表明，有效场强与总平均脉冲能量以及二阶相干函数减去一之后的乘积成正比。这一关系的确立，使得描述光场统计特性的静态物理参量——二阶相干函数，能够作为一个动态的物理控制参量，在平均功率不变的情况下主动调节强场非线性相互作用的有效强度。在物理本质上，这标志着对强场超快过程的调控，彻底摆脱了依赖单纯提高强度的传统经典模式，转向了利用光子非经典统计分布实现调控的全新量子模式。

该项研究不仅在实验上验证了量子光对强场非线性物理过程的显著增强，也得到了国际同行的学术评价。瑞典隆德大学的 Jan Marcus Dahlström 教授在同期期刊上发表的评论文章中指出，这一工作展示了非经典光源在较低平均能量下，能够表现出等效于高能量经典激光的非线性电离效应。他评价该工作在孤立原子体系中，通过实验给出了明确的量子优势。同时，由于实验在孤立原子层面成功实现了高精度的角条纹标定，并与全量子理论进行了定量比对，这一方法有望将现有的阿秒技术研究从半经典物理领域推进到量子物理领域。

这一成果也为强场物理与量子光学的交叉融合开辟了方向。该工作不仅在基础物理层面深化了对非经典光与孤立原子相互作用机制的认识，也为未来的超快技术发展提供了物理可行性。通过精确控制光场的量子统计分布，未来研究有望在不需要大幅提升激光能量的前提下，制备出高效率的量子控制阿秒光源，实现对飞秒和阿秒尺度下电子动力学的精密调控，并进一步推动基于非经典量子光源的超快非线性光谱学技术的发展。

论文链接：

[1] JIANG Z, PAN S, CHEN J, et al. Nonlinear atomic tunnelling boosted by bright squeezed vacuum[J]. Nature, 2026. 

DOI: 10.1038/s41586-026-10485-9.

[2] DAHLSTRÖM J M. Quantum light source boosts attosecond science[J]. Nature, 2026. 

DOI: 10.1038/d41586-026-01324-y.

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