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2022年11月24日
中国科大首次实现Fano直线线形的实验观测

中国科大朱林繁教授课题组和同济大学李文斌教授课题组合作,利用英国的Diamond同步辐射光源,基于薄膜平面腔体系首次在实验上证实了新的Fano线形—直线线形的存在,并揭示了其背后机理:连续通道和分立通道的干涉项完全抵消了原子共振分立态的强度,从而抹除了共振散射信号,实现原子“隐身”。这项研究为X射线谱学探测边前弱结构如四极跃迁提供了新思路。相关成果11月16日以“First Observation of New Flat Line Fano Profile via an X-ray Planar Cavity” 为题发表于《Physical Review Letters》上。

Fano公式因其普适性而成为现代物理学最重要的公式之一,它描述了分立态和连续态干涉而产生的复杂线形,并由法诺因子q调控。在一般认知中,q因子是实数,根据q的取值,Fano谱线分为对称和非对称峰形。近些年来,在耗散问题研究中揭示出q可以取复数。随后理论上预言,q因子取纯虚数时Fano线形存在直线情形。但是,想要观测到该线形需要在虚部空间大范围调控q值,由于缺乏有效的实验手段,直线Fano线形一直没有得到实验证实。

朱林繁教授课题组利用X射线薄膜平面腔,选用W原子2p→5d跃迁作为分立通道,与腔本身反射的连续通道发生Fano干涉。调节X射线的掠入射角度至一阶模,并改变薄膜腔的顶层Pt厚度,实现了纯虚数q因子的大范围调控,其基本原理见图1。实验中,在顶层Pt厚度1nm时,q因子取-i,此时干涉交叉项精确抵消共振分立项,从而抹除了原子共振跃迁散射信号,在反射方向上只能探测到随能量不变的连续谱,并理论模拟重现了实验观测,见图2。通过薄膜平面腔“隐身”特定原子内壳层跃迁,为实验上探测吸收边前弱结构提供了新思路。

图1. (a) 薄膜平面腔结构以及腔散射原理图;(b) 双通道干涉机制以及不同q因子下Fano峰形分类:不对称峰形、对称峰形以及新验证的直线线形。

图2.(a-c)不同腔结构下的实验反射谱,虚线对应模式角度位置;(d-f)扣除吸收边影响后提取的实验反射谱。(g-i)模式角度下扣除吸收边影响后的实验反射谱。图(h)清楚展示了直线型的Fano线形

审稿人对该工作给予了高度评价:“X-ray core-level spectroscopy may strongly profit from the possibility to suppress an overwhelmingly strong line such that weaker features in the spectrum are revealed. In this view the work is of interest for a broader audience.”(抑制强跃迁能揭示光谱中的弱特征,对X射线芯壳层谱学十分重要,这项工作会引起广泛的兴趣。) “These observations may form the basis for further fundamental studies which could potentially be of wider interest to the x-ray community.” (这些观测结果可为进一步的基础研究创造了条件…)“… the various line types including the flat line spectrum were found and confirmed. This indeed was not achieved before experimentally and in this respect the work is significant.”(…发现并确认了包括平坦直线在内的各种线型,这确实是以前实验没实现的,因此这项工作是重要的。) X射线量子光学是朱林繁教授课题组新开展的研究方向,结合腔效应与硬X-ray波段的内壳层跃迁,这一工作是该课题组实现原子内壳层寿命调控(Phys. Rev. Research 3, 033063(2021))后的另一重要进展。

中国科学技术大学物理学院博士生马子茹为论文第一作者,同济大学李文斌教授、中国科学技术大学黄新朝博士和朱林繁教授为论文共同通讯作者。本工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划及Diamond光源束流时间的支持。

论文链接:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.129.213602

(物理学院、科研部)

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