物理学院刘运全课题组在《自然·综述·物理》发表结构光驱动下超快物理研究综述文章
近日，北京大学物理学院现代光学研究所、人工微结构和介观物理全国重点实验室和纳光电子前沿科学中心刘运全教授课题组在《自然·综述·物理》（Nature Reviews Physics）发表综述文章《结构光驱动下的超快物理》（“Ultrafast physics with structured light”）。文章结合本课题组以及国际上最新研究成果，全面综述了“时间域结构光场”和“空间域结构光场”对束缚电子和自由电子物理系统的相互作用，特别是对在“强场电离”“高次谐波产生”和“自由电子谱学”等超快物理过程中的应用和发展进行了深入探讨。
超快物理研究涉及阿秒、飞秒等超快时间尺度下电子与光子相互作用，电子超快动力学是光与物质相互作用物理的核心。近年来，超快光场调控发展非常迅速。在时间域和空间域中对光场强度、相位、偏振态等进行准确控制，赋予了激光场多样化的功能性，结构光场在光学及其跨学科领域已实现广泛应用。论文指出，光场角动量，包括自旋角动量和轨道角动量，与光场时空特征紧密联系，时空结构光场为超快物理研究提供了全新的机遇，为揭示物质的超快电子动力学研究提供了重要手段。
图1、时空结构光场
时间域结构光场为超快强场物理的研究提供了丰富的自由度。通过选择合适的偏振形状，时间域结构光场已被用于研究超快激光作用下电子隧穿或者再碰撞信息，实现了非稳态下电子运动的精确操控、强场光电离及高次谐波辐射等领域的重要应用。比如，为了回答电子需要多长时间来穿过强光作用下压弯的库伦势垒，研究者们提出了圆偏振光场测量电子动力学的阿秒钟方案。通过构建特殊的双色圆偏振光场，阿秒钟的概念被进一步推广，人们现在可以将电子的隧穿时刻和隧穿相位映射到电子的发射角度，从而得到阿秒分辨的电子隧穿过程。在高次谐波辐射控制方面，反向旋双色圆偏振光驱动下可产生偏振度可切换的极紫外高次谐波，实现圆偏振阿秒脉冲串或孤立阿秒脉冲的产生。采用非共线方案，由于光子线动量的额外限制，可在不同角度下分离高次谐波产生中不同阶次的谐波，得到确定手性的单一阶次谐波。
空间结构光场驱动下的超快物理研究中，关键物理问题是电子的空间相干性，它决定了结构光的空间特性能否传递到电子或者高次谐波辐射（图2）。在强场电离中，电子的相位由基态初相位、隧穿与外场传播相位组成。不同原子的初始相位随机，且激光波长远大于原子尺度。因此，来自不同位置的光电子彼此不相干，电离出的光电子不保留驱动光场的空间拓扑。虽然气体高次谐波中不同电子的回碰也是非相干的，但高次谐波辐射的光子相位则是由电子回碰过程积累的相位决定的。因此高次谐波是相干辐射，可以继承驱动光的拓扑结构。研究者们在理论上和实验上提出了一系列具有特殊空间结构的极紫外拓扑光场，包括：横向光涡旋、时空光涡旋、矢量光束、自扭矩光场、项链结构光场、斯格明子、霍普夫子等。所以空间结构光场驱动下的高次谐波过程为实现极紫外光场调控提供了重要手段。
图2、超快物理过程与电子空间相干性的内在联系
对具有高时空相干性的自由电子来说，利用超快光场可对自由电子的波函数和波前进行可编程化的控制，其中一个典型应用是产生具有手性的自由电子涡旋或者电子线圈。电子束的手性在微纳结构的手性表征和纳米光场的控制中具有广泛的应用前景。除了手性以外，通过超快光场调制，还可获得更加复杂的电子束结构，例如电子涡旋阵列等。
综上所述，时空结构光场在超快物理中已经展现了巨大的基础研究和应用潜力。相较于简单的线偏振或者圆偏振光场，时空结构光场与超快物理的交叉不仅揭示了更加深刻的基础物理，而且为超快物理的实际应用提供了更大的机遇。未来，越来越多的新型结构光场，比如光学莫比乌斯链、反向光学涡旋等，将被引入超快物理的研究当中，为超快电子动力学研究提供新工具。
文章第一作者为物理学院2022届博士毕业生方一奇（现为埃尔朗根大学博士后研究员），通讯作者为刘运全。
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