用于生成 BSV 和测量强场能量谱的装置示意图。

在《自然·物理学》杂志发表的一项新研究中，研究人员证明，量子光，特别是明亮的压缩真空（BSV），可以驱动金属针尖的强场光发射。

阿秒科学——研究电子在10?1?秒时间尺度上的行为——传统上依赖于光的“相干态”对应的强激光脉冲。这些脉冲如同经典的电磁波，具有可预测的振荡电场，能够将电子推向高能状态。

当电子在强光照射下从表面再散射时，会产生特征性信号：能量谱中出现平台区，随后出现陡峭的截止点。这些特征已成为实现阿秒级物质探测的核心依据。

这项新研究旨在探索：具有与经典激光脉冲根本性差异的真正量子光，能否同样驱动这种强场动力学效应。

研究人员表示他们的研究动机源于强场物理与量子光学领域长期存在的割裂状态。这两个领域传统上处理截然不同的光强范畴——一个涉及极端强度的经典光场，另一个则关注光的量子特性，通常仅涉及少量光子。他们对弥合这一鸿沟的构想深感着迷。

一种反直觉的量子现象

与传统相干激光不同，BSV代表了一种具有特殊性质的光量子态。

在经典激光脉冲中，振荡电场遵循可预测的正弦曲线，具有明确的振幅。而BSV则完全由强烈的量子波动构成，这些波动以载波频率两倍的频率振荡，且完全不包含相干波成分。

研究人员解释道：经典理论认为，强场效应需要强烈的振荡电场来加速电子。但在BSV中，平均场强为零——这意味着电子平均不应受到任何作用力。其违背直觉之处在于：仅凭无平均场的放大量子波动，就足以将电子加速至高能状态。

测量得到的平均电子能量谱。

尽管平均场为零，BSV仍能达到极高强度，因为其强度与电场强度的平方成正比。

研究团队与安德烈·拉斯普特尼（Andrei Rasputnyi）、玛丽亚·切霍娃（Maria Chekhova ）合作，利用无种子光学参量放大器生成BSV，产生波长中心为1600纳米、持续时间25飞秒的脉冲。这些脉冲在每次发射间展现出巨大的光子数波动，范围从近乎零到每脉冲约1012个光子。

该研究团队特意选择BSV来验证量子光是否能在不依赖经典场分量的情况下驱动强场物理效应。

实验装置与方法

为探究这一谜题，研究团队将BSV脉冲聚焦于超高真空腔室内一根半径仅数十纳米的钨针尖上。钨因其适宜的工作函数和稳定性而被广泛用于此类实验。

该实验装置需满足两个关键条件：首先，尖端纳米级锐度可在顶点处聚焦并放大光场，从而形成强场光电子发射所需的高强度环境；其次，为确保测量结果的纯净可重复性，必须维持超高真空状态以防止尖端表面污染。

当量子光照射探针时，电子通过非线性光电子发射过程释放——该过程需多个光子协同作用才能使金属表面电子脱离。

研究团队采用定制电子能谱仪，不仅能测量电子总数，还能测定每个电子的能量。关键在于通过光电二极管同步测量每个光脉冲的光子数。

这种单光子分辨检测对分析至关重要。针对约60万个BSV脉冲，团队同时记录了光子数与发射电子的能量，从而实现脉冲级别的双参数关联分析。

测量和模拟的逐次分辨能量谱。

隐蔽模式的显现

当研究人员最初通过对大量脉冲进行平均处理来分析数据时，他们观察到电子能量谱延伸至60电子伏特以上，远超同等平均强度经典光的预期能量。然而这些平均谱并未呈现明显的平台区或截止点——这些特征本应出现在电子于强光照射下从表面再散射时。

突破性进展出现在他们采用后选数据处理时——根据每个脉冲中检测到的光子数量对电子光谱进行分类。

研究人员解释道：最初对大量BSV脉冲取平均值时，强场物理学的特征性平台消失了，因为挤压真空光在不同脉冲间存在强烈光子数波动，导致底层结构被'平均化'并模糊化，为解决此问题，他们意识到可根据单个脉冲的光子数进行谱后选取。通过这种方式，他们成功恢复了隐藏的平台和截止特征。

对于光子数较高的脉冲，电子能谱呈现出清晰的平台区，并在特定能量处出现陡峭的截止边。这些特征与经典相干光实验结果吻合，且随光子数增加呈线性增长——这完全符合强场再散射的“10-Up定律”。

通过截断能量，团队在针尖处测得3.4±0.6的光场增强因子，该数值与相干光源实验结果一致。

研究表明，受BSV驱动的电子行为如同被不同强度的相干光脉冲集合驱动。

研究人员解释道：尽管挤压真空场不存在经典场，但其量子态可理解为众多相干场分量的叠加——每个分量都能像经典脉冲那样驱动电子，电子实际上在采样这个相干态集合。

计算机模拟验证了这一解释：当团队根据量子态概率分布将BSV建模为不同经典场强度的加权和时，模拟结果与实验数据完全吻合。

超越理论

这项研究为利用强驱动电子作为量子光传感器开辟了新途径。

研究人员表示：强驱动电子对光的瞬时电场极为敏感，与传统光子计数技术不同，该方法能直接测量量子光如何在超快时间尺度上影响物质，并有望以阿秒级分辨率揭示量子场的时空特征。

这项工作推动了强场量子光学的发展——这一新兴领域致力于探索光的量子特性如何影响极端光-物质相互作用。

研究人员补充道：未来研究可探索不同类型量子光如何影响强场过程，例如高次谐波发生和阈值以上电离。

研究人员指出，在BSV中引入第二个经典光场可实现全量子态层析成像，通过两场相对相位差异突出特定量子特征。

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