?

朱林繁教授課題組和同濟(jì)大學(xué)李文斌教授課題組合作，利用英國(guó)的Diamond同步輻射光源，基于薄膜平面腔體系首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了新的Fano線形—直線線形的存在，并揭示了其背后機(jī)理：連續(xù)通道和分立通道的干涉項(xiàng)完全抵消了原子共振分立態(tài)的強(qiáng)度，從而抹除了共振散射信號(hào)，實(shí)現(xiàn)原子“隱身”。這項(xiàng)研究為X射線譜學(xué)探測(cè)邊前弱結(jié)構(gòu)如四極躍遷提供了新思路。相關(guān)成果11月16日以“First Observation of New Flat Line Fano Profile via an X-ray Planar Cavity” 為題發(fā)表于《Physical Review Letters》上。

Fano公式因其普適性而成為現(xiàn)代物理學(xué)最重要的公式之一，它描述了分立態(tài)和連續(xù)態(tài)干涉而產(chǎn)生的復(fù)雜線形，并由法諾因子q調(diào)控。在一般認(rèn)知中，q因子是實(shí)數(shù)，根據(jù)q的取值，F(xiàn)ano譜線分為對(duì)稱和非對(duì)稱峰形。近些年來(lái)，在耗散問(wèn)題研究中揭示出q可以取復(fù)數(shù)。隨后理論上預(yù)言，q因子取純虛數(shù)時(shí)Fano線形存在直線情形。但是，想要觀測(cè)到該線形需要在虛部空間大范圍調(diào)控q值，由于缺乏有效的實(shí)驗(yàn)手段，直線Fano線形一直沒有得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

朱林繁教授課題組利用X射線薄膜平面腔，選用W原子2p→5d躍遷作為分立通道，與腔本身反射的連續(xù)通道發(fā)生Fano干涉。調(diào)節(jié)X射線的掠入射角度至一階模，并改變薄膜腔的頂層Pt厚度，實(shí)現(xiàn)了純虛數(shù)q因子的大范圍調(diào)控，其基本原理見圖1。實(shí)驗(yàn)中，在頂層Pt厚度1nm時(shí)，q因子取-i，此時(shí)干涉交叉項(xiàng)精確抵消共振分立項(xiàng)，從而抹除了原子共振躍遷散射信號(hào)，在反射方向上只能探測(cè)到隨能量不變的連續(xù)譜，并理論模擬重現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，見圖2。通過(guò)薄膜平面腔“隱身”特定原子內(nèi)殼層躍遷，為實(shí)驗(yàn)上探測(cè)吸收邊前弱結(jié)構(gòu)提供了新思路。

圖1. (a) 薄膜平面腔結(jié)構(gòu)以及腔散射原理圖；(b) 雙通道干涉機(jī)制以及不同q因子下Fano峰形分類：不對(duì)稱峰形、對(duì)稱峰形以及新驗(yàn)證的直線線形。

圖2.（a-c）不同腔結(jié)構(gòu)下的實(shí)驗(yàn)反射譜，虛線對(duì)應(yīng)模式角度位置；（d-f）扣除吸收邊影響后提取的實(shí)驗(yàn)反射譜。（g-i）模式角度下扣除吸收邊影響后的實(shí)驗(yàn)反射譜。圖（h）清楚展示了直線型的Fano線形

審稿人對(duì)該工作給予了高度評(píng)價(jià)：“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.”（抑制強(qiáng)躍遷能揭示光譜中的弱特征，對(duì)X射線芯殼層譜學(xué)十分重要，這項(xiàng)工作會(huì)引起廣泛的興趣。） “These observations may form the basis for further fundamental studies which could potentially be of wider interest to the x-ray community.” （這些觀測(cè)結(jié)果可為進(jìn)一步的基礎(chǔ)研究創(chuàng)造了條件…）“… 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.”（…發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了包括平坦直線在內(nèi)的各種線型，這確實(shí)是以前實(shí)驗(yàn)沒實(shí)現(xiàn)的，因此這項(xiàng)工作是重要的。） X射線量子光學(xué)是朱林繁教授課題組新開展的研究方向，結(jié)合腔效應(yīng)與硬X-ray波段的內(nèi)殼層躍遷，這一工作是該課題組實(shí)現(xiàn)原子內(nèi)殼層壽命調(diào)控（Phys. Rev. Research 3, 033063(2021)）后的另一重要進(jìn)展。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院博士生馬子茹為論文第一作者，同濟(jì)大學(xué)李文斌教授、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)黃新朝博士和朱林繁教授為論文共同通訊作者。本工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃及Diamond光源束流時(shí)間的支持。

論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.129.213602

（物理學(xué)院、科研部）