光物理学：短波長自由電子レーザーを用いたラビダイナミクスの観測

ラビ振動は、時間変動する場と相互作用する2準位系における集団の周期的な変調である。この現象は、物理学では普遍的なものであり、フォトニクス、ナノエレクトロニクス、電子顕微鏡、量子情報など、さまざまな分野で応用されている。ラビが展開した理論は、回転磁場中のフェルミオンを対象としていたが、AutlerとTownesは、回転波近似の範囲内でコヒーレントな光–物質相互作用を記述するのにも利用できることに気付いた。ナノメートル波長の強力な光源は10年以上前から利用可能であったが、そうした短波長でのラビダイナミクスは直接観測されていなかった。今回我々は、シード型自由電子レーザーからのフェムト秒極端紫外パルスによって、ヘリウム原子の基底状態と励起状態の間のラビダイナミクスを駆動できることを示す。測定された光電子信号から、共にコヒーレントな原子と場の相互作用の基本現象である、Autler–Townes二重項と回避交差が明らかになった。我々は、ラビモデルに加えて、摂動論から導かれた解析モデルを用いて、この二重項構造の超高速増強から、共鳴光電離経路と非共鳴光電離経路の間の量子干渉効果の特徴が生じることを見いだした。アト秒や数フェムト秒の高強度極端紫外パルスが最近利用可能になったことを考えると、今回の結果は、自由電子レーザーを用いた短波長でのコヒーレント過程の超高速操作を実行する機会を広げるものである。

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