Attosecond correlation interferometry
本文展示了通过将红外量子相关性从双模亮挤压真空转移至高次谐波产生，从而实现相关阿秒极紫外辐射的产生与表征，这使得通过偶次谐波干涉实现振幅与相位相关的亚循环分辨率成为可能，并揭示了在 30 阿秒内联合涨落向近乎静默状态的转变。
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光不仅仅是照亮房间的一束光线；它是由被称为光子的粒子流组成的，这些粒子可以以一种挑战我们日常直觉的方式连接在一起。当这些光子被共同产生时，它们共享着一种秘密的联系，这意味着其中一个的变化会瞬间影响到另一个，无论它们之间的距离有多远。科学家长期以来一直利用这些相互连接的对来构建超精密传感器和安全通信系统，但他们大多是在光波振荡相对较慢（在飞秒量级的时间尺度上）的情况下对其进行研究。这虽然已经极快，但对于捕捉原子内部电子跳跃时的那种狂热的、亚周期运动来说仍然太慢了。电子在阿秒量级的时间尺度上运动，这是一个如此短暂的时间单位，一秒钟内可以容纳一千亿亿个这样的时间单位。几十年来，挑战在于如何在如此极端的速度下创造并测量这些量子关联，这项任务需要能够观察电子不可见的舞动而不使画面模糊的工具。
以色列魏茨曼科学研究所和蒂拉比研究所的一组研究人员现在在解决这一难题方面迈出了重要一步。他们成功地在仅持续几百阿秒的极紫外光脉冲中生成并测量了量子相关性。为了实现这一点，他们使用了一个被称为高次谐波产生的巧妙技巧，即将一束强激光射入气体中，导致原子释放出高能光爆发。在这项实验中，研究人员不仅使用了标准的激光束；他们还加入了第二种较弱的光场，其中包含了成对的关联光子。这种被称为“双模亮挤压真空”的特殊光场，对气体中的原子起到了微妙的推动作用。随着原子对这种推动做出反应，它们发射出的极紫外光爆发携带了与原始红外光相同的秘密联系，有效地将量子链路从缓慢、熟悉的频率转化为电子运动那极其迅猛的节奏。
研究人员面临着一个重大障碍：他们创造的光脉冲是混乱的，其亮度和定时在每一次爆发之间都会剧烈波动。如果他们只观察其中一个关联通道的光，信号看起来将是随机的噪声，从而掩盖了任何潜在的模式。然而，通过同时测量两个通道的光，他们看到了隐藏的秩序。他们发现，虽然单个脉冲是嘈型的，但一个通道中的波动与另一个通道中的波动是完美匹配的。这就像是两个人都在大喊随机的词汇，但如果你同时倾听他们，他们的声音会抵消掉噪声，从而揭示出一种清晰且同步的节奏。这使得团队能够证明，量子相关性成功地完成了从创建它们的红外光谱到足以追踪电子运动的极紫外光谱的旅程。
为了确认这些连接不仅关乎亮度，还关乎光波精确的定时，团队利用了他们所产生光的一种独特属性。激光与气体之间的相互作用产生了一种特定类型的光脉冲，这种脉冲只有在两个关联通道以精确方式协同工作时才会出现。通过仔细调整主激光与关联光之间的定时，他们观察到这些特殊脉冲的强度呈现出有节奏的起伏。这种振荡证明了这两个通道不仅在强度上相连，而且在相位上也锁定了，这意味着它们的波峰和波谷以阿秒级的精度实现了同步。这一观察结果是对量子连接的直接测量，证实了研究人员已成功将这种微妙的量子关系转移到了一个新的超快机制中。
最令人震惊的结果出现在团队重建光脉冲在时间上的实际形状时。他们发现，虽然单个脉冲是一团混乱的随机波动，但合并后的信号揭示了一种结构：在短暂的时刻几乎是静默的，随后是突然爆发的剧烈噪声。这种从混沌到寂静的转变仅在30阿秒内发生。这一发现表明，量子相关性不仅是一个统计学上的奇特现象，更是一种可以被操纵和观察的真实物理结构。在电子的自然时间尺度上生成并测量这些相关性的能力，为科学开启了一扇新的大门。它预示着在未来，研究人员可以使用这些工具来观察电子在分子和材料内部是如何相互作用的，这可能揭示控制化学反应或理解物质在最基本层面基本行为的新方法。
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