Elektronenbeweging in atomen en moleculen is van fundamenteel belang voor veel fysieke, biologische en chemische processen. Het onderzoeken van de elektronendynamica binnen atomen en moleculen is essentieel voor het begrijpen en manipuleren van deze verschijnselen. Pompsonde spectroscopie is de conventionele techniek. De Nobelprijs voor de Scheikunde van 1999 biedt een bekend voorbeeld waarin femtoseconde gepompte laserpulsen dienden om de atomaire beweging te onderzoeken die betrokken is bij chemische reacties. Echter, omdat de tijdschaal van elektronenbeweging binnen atomen en moleculen in de orde van attoseconden is (10 ^-18 seconden) in plaats van femtoseconden (10 ^-15 seconden), Attoseconde pulsen zijn nodig om de elektronenbeweging te onderzoeken. Met de ontwikkeling van de attoseconde-technologie, lasers met een pulsduur korter dan 100 attoseconden zijn beschikbaar gekomen, mogelijkheden bieden voor het onderzoeken en manipuleren van elektronendynamica in atomen en moleculen.

Een andere belangrijke methode voor het onderzoeken van elektronendynamica is gebaseerd op sterke-veld-tunneling-ionisatie. Bij deze methode, een sterke femtoseconde laser wordt gebruikt om tunnelionisatie te induceren, een kwantummechanisch fenomeen dat ervoor zorgt dat elektronen door de potentiaalbarrière tunnelen en ontsnappen uit het atoom of molecuul. Dit proces levert foto-elektron-gecodeerde informatie over ultrasnelle elektronendynamica. Gebaseerd op de relatie tussen de ionisatietijd en het uiteindelijke momentum van het tunneling geïoniseerde foto-elektron, elektronendynamica kan worden waargenomen met resolutie op attosecondeschaal.

De relatie tussen ionisatietijd en het uiteindelijke momentum van het tunnelende foto-elektron is theoretisch vastgesteld in termen van een "kwantumbaan" -model en de nauwkeurigheid van de relatie is experimenteel geverifieerd. Maar welke kwantumbanen bijdragen aan de foto-elektronenopbrengst bij ionisatie met sterk veldtunneling is een mysterie gebleven, evenals hoe verschillende banen verschillend overeenkomen met momentum en ionisatietijden. Dus, het identificeren van de kwantumbanen is van vitaal belang voor de studie van ultrasnelle dynamische processen met behulp van tunnelionisatie.

Zoals gemeld in Geavanceerde fotonica , onderzoekers van de Huazhong University of Science and Technology (HUST) stelden een schema voor om de kwantumbanen te identificeren en te wegen in sterke-veldtunneling-ionisatie. In hun schema een tweede harmonische (SH) frequentie wordt geïntroduceerd om het tunneling-ionisatieproces te verstoren. De verstoring SH is veel zwakker dan het fundamentele veld, dus het verandert niet het uiteindelijke momentum van het elektron dat tunnelt naar ionisatie. Echter, het kan de foto-elektronenopbrengst aanzienlijk veranderen, vanwege de zeer niet-lineaire aard van tunnelionisatie. Vanwege verschillende ionisatietijden, verschillende kwantumorbitalen hebben verschillende reacties op het tussenliggende SH-veld. Door de fase van het SH-veld te veranderen ten opzichte van het fundamentele aandrijfveld en de reacties van de foto-elektronenopbrengst te volgen, de kwantumbanen van tunneling van geïoniseerde elektronen kunnen nauwkeurig worden geïdentificeerd. Op basis van dit schema is de mysteries van de zogenaamde "lange" en "korte" kwantumbanen in sterke-veldtunneling-ionisatie kunnen worden opgelost, en hun relatieve bijdrage aan de foto-elektronenopbrengst bij elk momentum kan nauwkeurig worden gewogen. Dit is een zeer belangrijke ontwikkeling voor de toepassing van sterke-veld-tunneling-ionisatie als methode voor foto-elektronenspectroscopie.

Een gezamenlijke teaminspanning onder leiding van HUST-afgestudeerde studenten Jia Tan, onder toezicht van professor Yueming Zhou, samen met Shengliang Xu en Xu Han, onder toezicht van professor Qingbin Zhang, de studie geeft aan dat het hologram dat wordt gegenereerd door de multi-orbit-bijdrage van het foto-elektronische spectrum waardevolle informatie kan verschaffen over de fase van het getunnelde elektron. Het golfpakket codeert rijke informatie over atomaire en moleculaire elektronendynamica. Volgens Peixiang Lu, HUST-professor, vice-directeur van het Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, en senior auteur van de studie, "Attoseconde temporele en subangstrom ruimtelijke resolutiemeting van elektronendynamica wordt mogelijk gemaakt door dit nieuwe schema voor het oplossen en wegen van kwantumbanen."