阿秒瞬态干涉测量术：揭示电子超快动力学，拓展量子测量新维度

    在量子物理研究中，电子跃迁、原子振动等微观过程的时间尺度以阿秒（1as=10⁻¹⁸秒）为单位，其量级相当于光在真空中穿越单个原子直径所需时间的千分之一。捕捉此类“瞬态微观行为”是解析量子系统动力学机制的核心需求，然而传统测量技术长期受限于信息提取能力，难以突破观测瓶颈。阿秒瞬态干涉测量术的提出与实现，为人类高精度观测量子世界动态打开了全新窗口，相关成果已发表于《NaturePhotonics》期刊，为阿秒计量学的发展提供了重要理论与实验支撑。

    一、阿秒科学的技术瓶颈：相位信息缺失与量子路径混叠
    在阿秒科学领域，“阿秒瞬态吸收光谱技术”曾长期作为核心研究手段，其通过将量子系统（原子、分子、固体等）与激光场相互作用的瞬时响应，映射至极紫外（XUV）波段阿秒脉冲的吸收光谱中，实现了“阿秒级时间精度”与“亚电子伏级光谱分辨率”的协同，成功揭示了多体系中电子的超快动态特征。
    但该技术存在根本性局限：无法获取相位信息，且难以解耦多重量子路径。从物理本质来看，透射阿秒脉冲的振幅调制仅能反映瞬态吸收或增益特性（类似图像的灰度信息），而相位调制则编码了介质折射率的瞬态变化（对应图像的三维空间结构），后者在传统强度测量中会完全丢失。更关键的是，量子系统与激光场相互作用时，会产生多重量子路径，这些路径的动力学信息被相干地映射至同一吸收光谱中，导致不同路径的贡献相互混叠——如同无法从叠加的声波中区分不同乐器的旋律，严重阻碍了对复杂量子动力学机制的深入解析。
    突破这一瓶颈的关键，在于构建一种能够“直接提取相位信息、精准拆分量子路径”的测量方案，阿秒瞬态干涉测量术由此应运而生。

    二、阿秒瞬态干涉测量术的核心原理：融合双技术方案，引入相干参考场
    由OmerKneller团队提出的阿秒瞬态干涉测量术，核心创新在于融合阿秒瞬态吸收光谱与XUV-XUV干涉测量术两种基础技术，通过引入独立相干参考场，实现对瞬态相位的直接探测与量子路径的有效解耦。其实验流程可分为三个关键阶段，具体如下：
    1.阿秒脉冲串的制备与调控
    将强红外激光场聚焦于气体靶，通过高次谐波产生机制生成XUV波段的阿秒脉冲串；随后使红外激光与阿秒脉冲串共线传播，利用双段反射镜系统对二者进行重聚焦，同时以阿秒级精度调控其相对延迟（记为Δt），为后续相互作用实验奠定基础。
    2.非线性相互作用的诱发
    将上述复合XUV-IR场引入第二气体室（实验中分别采用氦气、氖气作为靶材），诱导量子系统发生微扰非线性相互作用。在此过程中，系统的动力学信息（包括电子能级跃迁、相干演化等）被编码至透射XUV脉冲的瞬态振幅与相位中，其特征表现为频率为2ω_IR（ω_IR为红外激光的角频率）的振荡。
    3.干涉测量与信息提取
    将红外激光场聚焦于第三气体喷嘴，产生次级高次谐波辐射，作为独立的“相干参考场”；使透射的待测XUV脉冲与该参考场发生干涉，其干涉信号遵循关系式：

    （其中ω为XUV频率，Ein为入射场，Egen为生成场，Eref为参考场）。
    通过对干涉信号的傅里叶分析，可直接提取瞬态相位Δϕ(ω,Δt)，并追踪其在单个光学周期内的亚周期演化（周期最短可达200阿秒）；同时，不同量子路径因累积的相位差异，会被映射至独立的傅里叶峰上，从而实现量子路径的解耦与各自相干贡献的分离。

    三、实验验证：原子体系中的动力学解析
    该技术的科学性与有效性，已通过氦原子、氖原子体系的实验验证得到充分证实，其观测结果突破了传统技术的局限，为量子动力学研究提供了全新视角。
    1.氦原子：斯塔克位移动态的亚周期观测
    氦原子在强激光场中会发生斯塔克效应，导致电子能级产生瞬时位移（即斯塔克位移）。传统技术仅能观测能级位移的最终结果，无法捕捉位移过程的动态特征。
    利用阿秒瞬态干涉测量术，研究团队清晰解析了这一过程：当红外激光脉冲达到峰值时，氦原子的1s4p能级因强斯塔克效应发生显著能量偏移，与第15次谐波（XUV脉冲的关键频率成分）处于失谐状态；约20飞秒后，斯塔克位移逐渐衰减，1s4p能级重新落入第15次谐波的带宽内，形成“Stückelberg振荡”。这是人类首次以阿秒精度，直接观测到斯塔克位移的亚周期演化过程，为原子能级动态调控研究提供了关键实验数据。
    2.氖原子：长寿命电子相干性的多尺度解析
    氖原子的电子激发过程更为复杂——其在XUV脉冲作用下，会同时激发20.5-20.8eV能量范围内的多个电子态（该范围位于第13次谐波带宽内），这些态的相干性可持续数十飞秒，但传统瞬态吸收技术因“干涉对比度低”，无法对其进行有效探测。
    阿秒瞬态干涉测量术通过参考场与待测场的同步干涉，突破了这一限制：即使在大时间延迟（如Δt=-60飞秒）条件下，仍能精准解析电子的相干演化。实验结果表明，氖原子的电子相干演化呈现三个特征时间尺度：其一为数十飞秒量级的量子拍频，对应不同共振能级间的周期性相干振荡；其二为1.3飞秒的2ω_IR振荡，与四波混频过程的动力学特征一致；其三为阿秒量级的振荡，源于XUV脉冲自身的光学周期特性。这种多尺度动态的同步捕获，为复杂原子系统的电子相干性研究提供了全新范式。

    四、理论拓展：拓扑材料中反常电流的超快探测
    除原子体系外，研究团队还从理论层面提出了阿秒瞬态干涉测量术的“矢量形式推广”，并将其应用于拓扑材料的超快动力学研究——拓扑材料的独特电子特性（如反常霍尔效应）源于贝里曲率，传统测量方法仅能观测其静态属性，而该技术可实现对动态过程的精准探测。
    研究采用凝聚态物理中典型的Haldane模型模拟拓扑系统，通过引入深束缚能带，分析XUV-IR复合场诱导的瞬态电流演化：以x偏振阿秒脉冲串与y偏振~800nm短周期脉冲共同诱导瞬态电流，使透射辐射与y偏振参考场干涉，对比拓扑态（λ=0.95）与平庸态（λ=1.05）的动力学差异。
    结果显示，两种状态的时间演化存在显著区别：约6飞秒后，拓扑态与平庸态开始呈现反相位演化特征，并在信号持续时间内保持该差异；而平行方向的发射谱中，二者的振幅与相位演化几乎完全一致。进一步分析表明，正交发射分量的相位差异源于拓扑相变过程中符号翻转的贝里曲率，对应反常霍尔电流的动态特征——该结果相当于实现了“超快光学版本的反常霍尔效应测量”，为拓扑材料的动态调控与应用提供了理论支撑。
    五、结语：拓展阿秒计量学的研究边界
    阿秒瞬态干涉测量术通过融合双技术方案、引入相干参考场，成功解决了传统阿秒技术“相位信息缺失、量子路径混叠”的核心瓶颈，实现了对瞬态相位亚周期演化的追踪与量子路径的精准解耦。其在原子体系中的实验验证与拓扑材料中的理论拓展，不仅证明了技术的科学性与适用性，更将阿秒计量学的研究范畴从简单量子系统拓展至复杂凝聚态体系。
    未来，随着技术的进一步优化，该方法有望应用于更广泛的研究领域：如解析分子光解反应中的电子转移路径、揭示高温超导材料中的载流子动力学、监测量子计算中量子态的相干演化等。作为精准解析光与物质相互作用量子路径的有效工具，阿秒瞬态干涉测量术将持续推动量子测量技术的创新，为人类深入探索微观世界的动态规律提供关键支撑。