2020年12月21日德国法兰克福大学、亥姆霍兹重离子研究中和美国俄克拉荷马大学霍默L道奇(Homer L. Dodge)物理学和天体物理学系、量子研究与技术中心等机构在Nature Physics (Letter)发表题目为“Ultrafast manipulation of the weakly bound helium dimer”的文章。

原子与外场相互作用的调控打开了一个物理的新分支——从强关联原子系统到理想玻色和费米气体、Efimov物理。这样的控制通常是制备静止或者绝热演化的样品。相反，在分子物理中，外部超短激光场能够被用来产生各向异性的势场，激发超快旋转波包，在自由空间上排列分子。作者将短脉冲激光作用于一个弱束缚、高度退局域化单束缚态量子体系——氦二聚体。激光场局部修饰两个氦原子之间的相互作用，传递了2?的角动量并导致一个开始处于囚禁态的解离波包。通过记录这个波包从小的核间距离到大的核间距离传播时的密度和相位变化视频，作者发现在原子相互作用可以忽略的大核间距离情况下，这个波包基本是自由的。这个工作为未来的波包动力学断层扫描铺平了道路，也为研究包括halo和Efimov在内的异常或其他难以进入的量子系统提供了一个技术。

在实验中，作者结合超短脉冲激光和质量分辨的超声团簇束的超快和低能的特点。通过库伦爆炸成像和冷靶反冲离子动能谱反应显微镜记录泵浦光作用后的氦双聚体的原子间距和方向。在实验上获得了不同核间距离R和作用时间t下场诱导排列的时间演化。他们发现He₂分子对激光场的响应在非常窄范围的小的核间距离下开始的，然后向大的核间距离扩散。同时根据实验参数进行的量子计算也获得了实验相符的理论结果。他们认为这个结果是由于激光场仅仅在小的核间距离处修饰He2相互作用势。这个修饰造成一个排列二聚体的初始非常窄的受限的概率通量。由于初始态波函数大的延展性，He₂二聚体整体并没有对这个局部的“kick”做出反应。早先所有的排列实验中，分子都是作为整体对激光“kick”做出响应，因此可以在(半)刚性转子近似内进行处理。然而这种情况下一般理解为很多旋转束缚态的相干激发，也就是说出现了旋转波包。此外，通过可视化He₂密度，激光场诱导的概率分布也被显示为核间距离和延时时间的函数(图3 a,b)。由于基态波函数在大的核间距离的延展, 部分解离波包与其产生的干涉也被用来揭示量子相位。这些结果为外电场对⁴He₂势场的调控提供了一个实验证据，也为波包干涉测量的研究开辟了新途径。