华中科技大学物理学院周月明副教授和日本电气通信大学及莫斯科物理技术学院的研究人员近日成功应用光电子全息成像方法，提取出原子结构信息；在超快原子、分子结构和动力学探测中取得重要进展。这一结果于4月27日在物理学权威期刊《物理评论快报》（Physical Review Letter）上在线发表。

不一样的全息成像

对于全息成像，很多爱好全息摄影的同学都不会感到陌生。而在电影中，充满现代科技感的全息显示技术也给大家带来了新鲜有趣的观影体验。

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电影《Iron man》截图

那么，什么是全息成像呢？
      简单来说，我们采用激光作为光源，并将这样的相干光源分为两束：其中一束直接射向感光片，而另一束经由被拍摄物体的反射后射向感光片。两束光线在感光片上产生干涉。依据感光片上记录的振幅和相位信息，便可以还原出物体的像，呈现出实际的立体效果。

   
     全息成像示意图

在科学研究中，人们注意到，缩小到微观尺度上，利用全息技术可以对原子、分子的结构进行成像。继而，2011年，一篇发表在《Science》上的文章提出一种新的全息成像技术——强场光电子全息成像，以此对原子、分子进行时间尺度阿秒量级（10-18s）和空间尺度Å量级（10-10m）的成像和动力学研究。
   什么是强场光电子全息成像？
   与一般概念上的全息成像相似，强场光电子的全息成像（strong-field photoelectron holography）也依托于参考波（直接到达探测器）和信号波（与母核发生碰撞）的干涉。不同的是，这里的参考波与信号波都是原子、分子强场电离出的光电子波包。
   在强激光场作用下，原子中电子发生隧穿电离。电离后的电子波包在激光场中加速运动。其中一部分电子波包直接到达探测器，而另一部分波包则返回母核附近，受到母核作用后发生散射。自从强场光电子成像被提出以来，研究者们就已经认识到，散射波包包含了母核的结构信息以及电离发生过程的超快动力学信息。然而如何“还原”其中蕴藏的丰富信息是一个难题。直到近日周月明副教授等人成功从中提取原子散射截面相位，相关的信息提取工作有了重大的实质性进展。

   
强场光电子全息成像示意图

有趣的发现
      我们知道，全息成像的结果以参考波与信号波的干涉形式体现。那么研究关注的重心也就是散射电子波包与直接电子波包形成的干涉结构。周老师所在的超快光学团队在强场光电离的绝热理论基础上进行严格的数学推导，指出光电子全息干涉谱中携带了母原子散射振幅相位信息。进一步地，周老师提出了一种提取方法，并应用于三维数值求解含时薛定谔方程（第一性原理计算）所得的光电子动量谱，最终成功从光电子动量谱中提取出散射振幅的相位，并与散射理论计算出的散射振幅比较，获得了十分一致的结果。
作为原子固有的结构，散射振幅提供了粒子散射过程的基本信息。由于其为复数，要确定原子的散射振幅，需要幅值和相位两项。在已有的工作中，通过对强场光电子散射过程中的散射截面进行研究，即可获得散射振幅的幅值项。而周老师团队的研究则把相位项的提取进行了补充。
研究中得到的这些有趣的发现不仅为强场光电子全息成像应用于超快动力学过程和结构信息的提取奠定了重要基础，同时也为原子固有结构的探测提出了新的方法。
    思想的碰撞
  这项研究的成功进行也离不开紧密的国际合作。周老师2008年从我校物理学院本科毕业后加入超快光学实验室，师从陆培祥教授开展超快激光与原子分子相互作用的研究，取得了一系列的重要成果。在博士研究期间以及博士毕业后，他与国内外学者进行了广泛的交流与合作。日本研究员Toru Morishita以及俄罗斯研究员Oleg I. Tolstikhin在绝热近似理论上深入而广泛的研究启发了周老师将这种理论应用到强场光电子全息成像的研究中，为数学推导过程最终的完成提供了很大的帮助。
在学术活动中，交流合作与思想碰撞都是及其精彩和富有创造力的。一个重要的研究工作就此得到了开展。
    等待补充的故事
  截止本工作在《物理评论快报》发表，结构信息提取所需要的理论铺垫已然成型，而后续的工作和更多有趣的故事还等待着他们继续探索。

   
COLTRIMS示意图

超快光学团队正在进行冷靶反冲粒子动量成像谱仪（cold target recoil-ion momentum spectroscopy，COLTRIMS）和粒子速度影像仪（velocity map imagery，VMI）的搭建，实验上的提取和验证是一项值得期待的工作。同时，近前向散射电子波包与母核作用较小，团队更加期待能在背向散射电子波包全息干涉结构中得到更加丰富的信息。
超快光学和强场物理还有更多，也更加有趣的课题等待着发现和完成。超快光学团队期待着下一个突破性的进展，也期待着新思想的加入。

超快光学研究团队

    结语
  科研工作需要大量时间和精力的投入。周老师在物理学院进行博士阶段的研究学习期间，建立了强场次序双电离的理论模型[Phys. Rev. Lett. 109,053004(2012)]；提出并演示了控制强场非次序双电离电子关联的理论方案[Opt. Express 19,2301(2011)]，并通过与国外研究小组合作，在实验上实现[Phys. Rev. Lett. 112, 193002 (2014)]；在物理学、光学权威期刊发表论文30余篇，SCI他引300余次；并获得第八届饶毓泰基础光学奖优秀奖。
   这些令人称赞的学术成就背后是长时间的学习和工作。周老师回忆起自己在读博士的时候，常常为了一个问题早上六点多钟就到办公室开始研究。两相对比，小编自愧弗如。周老师还提到，在研究过程中经历的困难虽然痛苦，但也增加了实现突破时的喜悦。寄语我们同学，找到目标，不懈努力！
   在此，我们也祝愿物理学院的科研工作者们格物穷理，再创佳绩！