实验概念和结果。资料来源：《自然-物理》（2023）。DOI: 10.1038/s41567-023-02092-6

康斯坦茨大学的物理学家们已经产生了人类有史以来最短的信号之一：使用成对的激光脉冲，他们成功地将一系列的电子脉冲压缩到一个只有0.000000000000000005秒的数字分析时间。

自然界中发生在分子或固体中的过程有时会在四亿分之一（飞秒）或五亿分之一（阿托斯秒）的时间尺度上运行。核反应甚至更快。现在，康斯坦茨大学的科学家Maxim Tsarev、Johannes Thurner和Peter Baum正在使用一种新的实验装置来实现阿托秒级的信号，这在超快现象领域开辟了新的前景。

即使是光波也不能达到这样的时间分辨率，因为一次振荡需要的时间太长了。电子在这里提供了一个补救措施，因为它们能够实现明显更高的时间分辨率。在他们的实验装置中，康斯坦茨的研究人员使用来自激光器的成对飞秒光闪，在自由空间光束中产生他们极短的电子脉冲。该结果在《自然-物理学》杂志上报告。

科学家们是如何进行的呢？
与水波类似，光波也可以叠加，形成驻波或行波的波峰和波谷。物理学家们选择了入射角和频率，以便使以一半光速在真空中飞行的共传电子与速度完全相同的光波波峰和波谷相重叠。

这就是所谓的思念力，然后将电子推向下一个波谷的方向。因此，在短暂的互动之后，产生了一系列时间极短的电子脉冲，特别是在脉冲序列的中间，电场非常强。

在很短的时间内，电子脉冲的时间长度只有大约五阿托秒。为了了解这一过程，研究人员测量了压缩后留下的电子的速度分布。

"物理学家Johannes Thurner解释说："你看到的不是非常均匀的输出脉冲的速度，而是非常广泛的分布，这是由于一些电子在压缩过程中强烈减速或加速的结果。"但不仅如此：该分布并不平滑。相反，它由数以千计的速度阶梯组成，因为每次只有整数的光粒子对可以与电子相互作用。"

 

对研究的意义
科学家说，从量子力学上讲，这是电子在不同时间经历了相同的加速度后，与自身的时间叠加（干扰）。这种效应与量子力学实验有关--例如，关于电子和光的相互作用。

同样引人注目的是：像光束这样的平面电磁波通常不能引起真空中电子的永久速度变化，因为大质量电子和零静止质量的光粒子（光子）的总能量和总动量不能守恒。然而，在一个比光速慢的波中同时有两个光子就可以解决这个问题（卡皮扎-迪拉克效应）。

对于康斯坦茨大学物理学教授兼光与物质小组负责人彼得-鲍姆来说，这些结果显然仍然是基础研究，但他强调了未来研究的巨大潜力："如果一种材料在可变的时间间隔内被我们的两个短脉冲击中，第一个脉冲可以引发变化，第二个脉冲可以用于观察--类似于照相机的闪光"。

在他看来，最大的优势在于实验原理中不涉及任何材料，一切都发生在自由空间。原则上，任何功率的激光器都可以在未来用于越来越强的压缩。"鲍姆说："我们新的双光子压缩使我们能够进入新的时间维度，甚至可能拍摄核反应。

参考资料

Maxim Tsarev et al, Nonlinear-optical quantum control of free-electron matter waves, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02092-6

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