科学家实现Zeptosecond维度：以10的负21次方秒为单位测量时间

分子内的电子移动有多快？嗯，它是如此之快，以至于它们从一个原子跳到另一个原子只需要几个阿托秒（1阿托秒=10^-18秒或十亿分之一秒）。眨眼之间，你就错过了数百万亿次。因此，测量这种超快的过程是一项艰巨的任务。

科学家们现在已经开发出一种新型干涉测量技术，能够以zeptosecond（宙秒，10^-21次方秒）的分辨率测量时间延迟。这项工作是在澳大利亚布里斯班格里菲斯大学的澳大利亚阿托秒科学设施和量子动力学中心进行的，由罗伯特-桑教授和伊戈尔-利特维尤克教授领导。

他们利用这项技术测量了两种不同的氢分子同位素--H2和D2--与强红外激光脉冲相互作用所发出的极紫外光脉冲之间的时间延迟。

这一延迟被发现小于3个阿托秒，并且是由较轻和较重的原子核的轻微不同运动造成的。

这项研究已经发表在《超快科学》上，这是一份新的科学伙伴杂志。

古伊相位干涉仪的实验装置示意图。实验装置的示意图如图1所示。在驱动红外激光束的焦点附近有两个可移动的分子射流，它们在空间中分开。两个射流的HHG发射之间的相位差包括来自Gouey相位的贡献（当两个射流中流动着相同的气体时，这是唯一的贡献）和由于不同物种的不同内在HHG相位而产生的额外相移。为了提取该固有相移，首先在两个喷射器中使用相同的气体测量HHG光谱，然后在两个喷射器之间切换不同的气体。这个过程可以完全消除Gouy相的贡献，以及在喷流位置的轻微不同强度的影响。

第一作者Mumta Hena Mustary博士解释说。"这种前所未有的时间分辨率是通过干涉测量实现的--将延迟的光波重叠起来，并测量它们的综合亮度"。

这些光波本身是由暴露在强烈激光脉冲下的分子产生的，这个过程被称为高次谐波生成（HHG）。

当一个电子被强激光场从一个分子中移出，被同一场加速，然后与离子重新结合，以极紫外（XUV）辐射的形式放弃能量时，就会发生高谐波生成。XUV HHG辐射的强度和相位都对参与这一过程的电子波函数的确切动态很敏感--所有不同的原子和分子都发出不同的HHG辐射。

虽然测量HHG的光谱强度是相对直接的--一个简单的光栅光谱仪可以做到这一点--但测量HHG相位是一个更困难的任务。而相位包含了关于发射过程中各个步骤的时间的最相关信息。

为了测量这个相位，通常要进行所谓的干涉测量，即让两个具有精细控制的延迟的波的复制品相互重叠（或干涉）。根据它们之间的延迟和相对相位差，它们可以进行建设性的或破坏性的干涉。

这样的测量是由一个叫做干涉仪的设备进行的。为XUV光建立一个干涉仪是非常困难的，特别是要在两个XUV脉冲之间产生并保持一个稳定的、已知的和可微调的延迟。

格里菲斯大学的研究人员通过利用被称为古伊相位的现象解决了这个问题--当光波的相位在通过一个焦点时，会以某种方式移动。

在他们的实验中，研究人员使用了两种不同的氢分子同位素--自然界中最简单的分子。这些同位素--轻氢（H2）和重氢（D2）--只在原子核的质量上有所不同--H2中的质子和D2中的氘子。其他一切包括电子结构和能量都是相同的。

由于质量较大，D2中的原子核比H2中的原子核运动得稍慢一些。由于分子中的核运动和电子运动是耦合的，在HHG过程中，核运动会影响电子波函数的动态，导致两种同位素之间的小相移ΔφH2-D2。

这个相移相当于一个时间延迟Δt = ΔφH2-D2 /ω，其中ω是XUV波的频率。格里菲斯的科学家们为在HHG光谱中观察到的所有谐波测量了这个发射时间延迟--它几乎是恒定的，略低于3阿托秒。

为了理解他们的结果，格里菲斯大学的研究人员得到了中国上海交通大学理论家的支持，由何锋教授领导。

上海交通大学的科学家们使用了最先进的理论方法来全面模拟分子氢的两种同位素的HHG过程，包括在各种近似水平上的核和电子运动的所有自由度。

他们的模拟很好地重现了实验结果，理论和实验之间的这种一致性让研究小组相信，该模型抓住了基本物理过程的最基本特征，因此调整模型的参数和近似水平可以确定各种影响的相对重要性。

虽然实际的动力学过程相当复杂，但发现电子重组步骤中的双中心干扰是最主要的影响。

"因为氢气是自然界中最简单的分子，而且它可以在理论上建立高精度的模型，它被用于这些原则性验证实验中，以便对该方法进行基准测试和验证，"Litvinyuk教授说。"在未来，这项技术可以用来测量原子和分子中各种光诱导过程的超快动力学，具有前所未有的时间分辨率。"