隨著信息技術的不斷發展，當前以電子為信息載體的技術手段已經不斷趨近于其發展極限，不斷縮小的集成電路開始展現出量子特性。在此背景下，人們迫切需要在超快時間尺度和超短的空間尺度上精確了解電子的運動規律。飛秒（10^-15秒）量級的超短激光脈沖是人們研究原子分子中電子運動的理想工具。結合人們對于原子分子體系的認識，使用飛秒激光脈沖，人們已經可以在阿秒（10^-18秒）量級的時間精度和埃(10^-10米)量級的空間精度上對原子分子中的電子波函數進行成像，相關研究還將為人們觀測和控制分子化學反應過程奠定堅實的科學基礎。
當原子處于飛秒強激光場中時，處于束縛態的電子會通過隧道電離的途徑變成自由電子，并在激光場的作用下回到原子實附近并發生彈性或非彈性散射，導致一系列強場原子物理現象（如高次諧波產生、阿秒光脈沖產生、高階閾上電離和多電子電離等）的發生。隧道電離電子可以在第一次返回原子實時發生散射，也有可能在第二次甚至更高次返回時才發生散射。已有研究對于第一次返回電子軌道有比較清楚的認識，而對于多次返回電子軌道，其物理效應和重要性則是一個長期以來頗受爭論的問題。深入認識多次返回電子軌道行為對理解飛秒強激光場中的隧道電離電子運動及相關物理過程具有重要意義。
中科院武漢物理與數學研究所柳曉軍研究員領導的原子分子超快動力學小組與北京應用物理與計算數學所、上海光學精密機械研究所以及德國Max Born研究所緊密合作，通過實驗測量橢圓偏振激光脈沖下惰性氣體原子高階閾上電離光電子譜，系統研究了第一次與多次返回電子軌道行為及其對原子閾上電離過程的影響。研究發現，隨著激光橢偏率的增大，高階閾上電離光電子譜中對應不同能量區域的光電子產量出現不同程度的降低。相對而言，較低能的電子產量隨著橢偏率下降更慢一些，而更高能的電子產量下降更快一些。量子軌道理論計算很好地重復了實驗結果，進一步分析表明：不同能量區域電子產量隨激光橢偏率的不同變化行為反映了第一次與多次返回電子軌道對激光橢偏率的不同依賴性；增大激光橢偏率可以增大多次返回軌道對原子閾上電離過程的貢獻。研究工作幫助我們深入認識了飛秒強激光場驅動的隧道電離電子行為，為進一步實現對電子運動的超快調控奠定了基礎。
相關結果發表在《物理評論快報》上（Phys. Rev. Lett. 110, 043002 (2013)）。
該項目得到了“973”計劃和國家自然科學基金的支持。（來源：中科院武漢物理與數學研究所）
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