即時目睹穿隧效應

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發表於 07-4-15 08:27:23 |只看該作者 |降序瀏覽大字中字小字正體化简体化

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編輯 tslim 報導科學家利用高速的原秒(attosecond)脈衝雷射，即時地看到了電子的穿隧效應。
一個電子被原子束縛著，就好像待在一種能量的谷底。如果想脫離原子的束縛，電子就必須得到足夠的能量，才能夠越過能量的山谷而成為自由電子。所以如果以有足夠能量光子的脈衝光照射原子，則可以使電子有機會脫離原子。不過，如果原子是浸在一堆低能量的光子中，那麼在原子內能量山谷邊緣的電子，也可以有機會脫離原子，即使這些低能量光子的能量並不足以讓電子脫離原子的束縛。這種現象稱為量子穿隧(quantum tunneling)，也就是電子可以有很小的機會"鑽出"能量的山谷。
穿隧效應是很多電子元件的操作所應用到的原理，例如掃描式穿隧顯微鏡(scanning tunneling microscopes)、江崎二極體(Esaki diode)、量子級聯雷射(quantum-cascade laser)等。另外在核融合中，alpha粒子(兩個質子和兩個中子的組合，也就是氦原子核)也被認為是透過穿隧效應而脫離破裂的原子核。然而，穿隧效應發生的速度太快，估計大概在原秒(attosecond)的時間尺度等級，因此以過去的實驗技術不太可能直接觀察得到。不過，隨著近來雷射技術的進步，由Max Planck Institute of Quantum Optics and Ludwig Maximilians University Munich的科學家Ferenc Krausz所領導的研究團隊製造出了原秒等級的脈衝光源，使得觀察到穿隧效應變成可能。
在實驗上，研究人員用兩道原秒脈衝雷射去打氖氣。第一道是含有較低能量光子但強度較強的近紅外光脈衝*，第二道則是有能量較高的紫外光光子的脈衝。紫外光脈衝有能量很高的光子，可以把氖原子內的一顆電子游離並將另一顆打到氖原子能量山谷的邊緣，也就是激發到受激量子態上。因此，強度很強的近紅外光脈衝就有機會透過光場誘發穿隧(light-field-induced tunneling)效應讓電子穿過原子的能量山谷而游離。研究人員透過測量氖原子的解離數就可知道有多少電子透過了穿隧效應而游離。由於近紅外光脈衝雷射在一個脈衝波包中有幾個週期的強度震盪，因此研究人員發現氖原子的解離數也隨著近紅外光強度增強而同步地增加，當強度減弱時，解離數就停滯不前，可見電子的穿隧游離確實是近紅外光所造成的。這種光場誘發穿隧效應在四十年前就已經有理論預測出來，只不過一直到現在才有人可以以直接時間解析的方法證明這個效應。這個結果發表在2007年四月五日的Nature上。
由於電子的穿隧效應發生的時間是在原秒等級，因此如果探測的光源(在此為近紅外脈衝雷射)的強度沒有原秒等級的時間變化率，那就只能在探測光源使用前跟使用後，分別得到電子游離與非游離而已，而無法得知電子的游離與光強度變化的直接關係。因此，此工作除了可以直接即時地看到電子的穿隧效應，驗證了了四十年前所提出的光場誘發穿隧效應理論外，也展示了高速雷射光源在高速動力學研究上的重要性。
*以光子的角度來看光，一個光子的能量與光的頻率成正比，而光的強度則是代表光子的密度。因此低能量高強度的光指的是，在這道光中每顆光子的能量都很弱(也就是低頻率，例如紅外光)，但裏面光子的密度(或數目)很大。參考來源：

相關連結：

Max Planck Institute of Quantum Optics

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