电子：臣妾近来心绪不宁，全身发热，兴奋不能自已，原本呆在原来的能量层里也是极好的，可私心想着若是能越过这道势垒，出去看看，也算是不枉此生。
原子核：说人话！
电子：我想隧穿了，求陛下赐臣妾一条生路。
原子核：……滚，有本事你就穿，最近北大的刘运全教授课题组在研究分子轨道隧穿，跟着学学去。
大家好，我是氮气电子，大家可以叫我氮氮，此次参观将由我做大家的导游，我们的参观路线为：大牛导师——惊艳研究——神奇实验室。
请大家重装好自己的高中化学和物理知识系统，外配置一颗善于思考的大脑。我们的旅程马上开始。
叮——
第一站——大牛导师 请大家准备好自己的膝盖，有序入场据氮氮所知最近，北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室“极端光学创新研究团队”刘运全教授和龚旗煌院士等在《物理评论快报》发表了标题为“Phase Structure of Strong-Field TunnelingWave Packets from Molecules”的研究论文[Physical Review Letters 116, 163004（2016）]。此次研究针对的是量子活动中最基本的物理过程，所以在光电子全息成像、高次谐波的产生以及超快量子调控方面等多个方面都具有重要应用。
简单地说，此次研究结果的核心是对氮气分子的电子隧穿的理论模拟和实验结果的比对，看起来简单，但是刘运全教授带着他的课题组却付出了很多努力。
刘教授其人，北京大学长江特聘教授，国家杰出青年基金获得者。
目前的主要研究兴趣为飞秒强激光场与原子分子相互作用物理的实验研究，探索超快强激光场中原子分子的电离和解离动力学问题。
当官微记者提出采访，身为教授的刘老师很爽快地答应了。向我们阐述了课题组的研究过程和理论知识（才不告诉你下文的内容都是刘老师告诉我的呢）。
这是一个学者，更是一个师者。
这个课题组总共有七个人，刘老师和六位研究生。刘老师引导整个团队的工作，为学生的学习和科研提出了很多宝贵的指导意见，并且提出了很多创新的思想。上文提到的量子轨道蒙特卡洛方法是一位已经毕业的师兄提出的，而几位研究生则负责分子相关的工作。
据说官微记者曾提出拍一张刘老师的工作照片，老师谦虚地拒绝了。
Tips:不过氮氮才不会告诉大家这个小小的遗憾可以通过搜索引擎弥补哦~大牛老师的图永远不怕难找。
第二站——惊艳理论 这一站又名“别有洞天”，有的同学可能会比较懵，请大家启动高中的化学物理知识，穿过陌生的理论时认真思考，即可感受到柳暗花明又一村。团队成员创新性提出了分子隧道电离的量子轨迹蒙特卡洛理论（Molecular-Quantum-Trajectory Monte Carlotheory），揭示分子隧道电离的电子波包存在初始相位。他们将蒙特卡洛方法和费曼路径积分相结合[M. Li et al., Phys. Rev. Lett.112,113002(2014)]，计算得到分子坐标系下的光电子动量分布。解释了实验上观测到氮气分子的光电子全息结构随分子取向角的变化，并预测O2分子的光电子全息结构。
结果表明，分子外层轨道的电子云分布会影响最终得到的光电子动量分布（氮气分子的外层轨道为σg, 氧气分子的外层轨道为πg）。分子隧道电离电子波包具有初始相位分布，这一初始相位依赖分子轴相对与激光偏振轴的取向角,并可以广泛应用于多原子分子的隧道电离问题。
——摘自“北京大学科学研究部”
等等等等，看完了上面一段，氮氮的内心是冷漠的。。。。。
仿佛听到了大家的内心呼声——说人话！分子轨道是做啥用的？蒙特卡洛模拟是什么？费曼路径积分又是什么？电子波包的初始相位又是什么？不要急，且
听小编一一道来。
大家努力回忆一下高中化学的知识哈！
通常原子和分子中的电子处于基态，如果加一个很强的激光场，电子发生量子隧穿的概率就会大大增加，它就会从一个束缚电子变成自由电子。高中化学的知识告诉我们原子轨道有s、p、d各种形态，像氮气和氧气这种分子也有特定的分子轨道（氮气是“8”字形，氧气是花瓣形）。这些轨道的形状会影响电子隧穿的结果。
而在实际的实验中，只能利用探测器对电子隧穿后的末态动量进行探测，隧穿的过程不得而知，于是便需要借助一些理论方法来对电子隧穿的过程进行探究。其一是借助经典轨迹蒙特卡洛模拟，但它的局限性在于将电子视作经典粒子，无法得到电子波包干涉的结果。而电子存在“波粒二象性”，所以它的波动性也必须被考虑在内，那就需要借助量子力学中的其他方法了。解薛定谔方程是理论上最可靠的方法，但计算量很大，并且不直观。将蒙特卡洛模拟和费曼路径积分相结合便是可行的方法。
氮氮说：蒙特卡洛方法（Monte Carlo method），也称统计模拟方法，一种以概率统计理论为指导的一类非常重要的数值计算方法。简单地说就是以随机试验达到模拟概率的结果。电子隧穿时赋予其一个满足一定条件的初始动量分布，然后再根据牛顿方程算出隧穿结束后的动量分布，再对不同初态的不同分布进行分析得到最终的结果。费曼路径积分，它是一个从经典力学里的作用原则延伸出来对量子物理的一种概括和公式化的方法。它以包括两点间所有路径的和或泛函积分而得到的量子幅来取代经典力学里的单一路径。
波包（wave packet）是指局限在空间的某有限范围区域内的波动，在量子力学中，波包可以用来代替粒子。这一次的研究重点之一在于在费曼路径积分中不仅考虑了概率的因素，还考虑了电子波包的初始相位因素，于是计算的结果指的是在探测仪上相位相互干涉的结果。这种考虑相位的方法简单而高效，物理过程也比较直观。
模拟所得氮气光电子动量分布归一化差分图（左侧）和实验结果的对比（右侧）
这一次研究的另一重点在于将针对原子轨道的工作拓展到分子轨道，分子轨道比原子轨道自然要更复杂啦。当然理论还有缺陷的地方，正在慢慢调整。
那么大家有没有好奇，世界上那么多种的电子，凭什么氮氮被选为幸运儿完成这个实验你？
是因为啊，实验需要利用强激光场将随机分布的分子轴固定为一个方向，我的爷爷氮气因其分子结构，排列较为容易，故成为了首选对象，比对结果也显示改进后的理论在预测方面是非常有效的。
偷偷透露，后续的研究将会继续探索我的邻居家爷爷氧气分子的隧穿结果，不过因氧气分子的轨道是花瓣形的，排列相对有一些困难，理论可能也需要作一些调整~
模拟所得氧气在不同取向角下的光电子动量分布归一化差分图。
如果你听完了理论原理，还是云里雾里的知其然不知其所以然。你可能会问：
传说中的让气体和激光相遇，怎么相遇呢？是把气体关在一个小黑箱里上演我的王子骑着激光拯救我的浪漫故事吗？
以及这个实验听起来就是观察观察测测数据怎么就能研究出那么高端的理论被各大杂志爱得死去活来呢？
那么，为了方便大家更好的了解原理，以及对研究生生活与高大上的物理实验室的好奇感，我们特地请到物院师兄，他将带领我们参观这次研究组所用的物理实验室。
大家可以仔细想想之前介绍的理论，我们稍作休息两分钟。
第三站——神奇实验室 本科的很多同学对物理实验室应该还是比较陌生的，所以这一站人会比较多，请大家注意纪律，不要大声喧哗。请对物理实验室一无所知的孩子们扶好自己的下巴。未成年儿童请在大人的陪同下进入参观。强势科普：阿秒，又称阿托秒，是一个理论上的时间量程单位，相当于10的负18次方秒。（这不是个人名哦~）
师兄用指纹识别为我们打开了实验室的门。等等，同学，你别激动冲进去。进入实验室之前，要换上实验室专用的拖鞋与实验服。门前那个方方的柜子就是鞋柜。
换好鞋后，我们会先进入一个密闭的小空间——风淋间。
同学进入实验室以后，大家也不要随便乱戳乱摸，跟在师兄身后认真听讲解即可。
氮氮温馨提示：你永远不知道你面前那个看起来又笨又丑的还让人捉摸不透的仪器够你吃多少万份鸡腿饭扬州炒饭培根手抓饼鸡蛋灌饼麻辣香锅麻辣烫石锅拌饭牛肉炒河粉……
主角登场了，第一张图里就是实验用的的主要仪器之一——冷靶反冲离子动量谱仪。气体通过特制的喷嘴进入主腔，通过挡板调整进入主腔的气流量。而激光束从第二图中的孔射出来，通过一点一点调节这些大大小小的光学仪器，最后集成一束光射入下图厚度1毫米的小孔进入主腔与气体相遇。那个厚度1毫米的玻璃片隔绝了空气和真空，承受了巨大的压力。气体分子在与激光作用后，隧穿出来的电子会打到探测器上，形成一个电压的波动信号。信号将会被放大，然后转化为一个标准的NIM信号，便可以用电脑进行数据处理了。
看我看我，数据分析全靠我啦
傲娇的螺丝表示此处需要特写
大家以为这些仪器都是搬运回来的吗？师兄神秘一笑：Naïve.
这些仪器，其实是几个实验组的男生一点一点地搭建起来的。不用怀疑！
对，没错，它从德国买回来的时候只是零件而已。对于这个搭建难度，师兄只是展示了一个小小的螺丝钉。螺丝并不是简单拧上去就行。实验组里几个男生相互配合，全力拧紧后才能保证主腔的真空度，每次都是拧上一整天。如果发现探测器短路，或者主腔内有灰尘，又得拆了重装。反复多次，才最终保证仪器正常工作。做实验不仅是力气活,又是技术活呀。（用手拧的哦！）
另外，这个类似高压锅一样的仪器，是用来产生高次谐波的反应腔，也是实验室里另一个师兄最近正在做的，需要不断地调节装置。据说调弄好后会有很大的作用，一起来期盼吧。
结语结束了一天的参观，大家对物理的科学研究有没有一个更进一步的认识呢？
氮氮被无数人研究了无数次，最终真正能解开我谜团有所突破的人却并不多。科学研究中，可能会有发现新方法的激动，也可能会有整日拧螺丝的枯燥，而这个探求最基本的物质的作用原理的过程，则是一条人类不断挑战自己的道路。讲明最后的结果已实属不易，在黑暗中摸索更是艰难。
好啦，被你看穿啦，我氮氮也不是想隧穿就隧穿的~希望刘运全老师的课题组能在未来取得更大的科研突破！要是能赐予氮氮我一条隧穿的明路，那也真真是极好的~
记者：叶 帆 2015级数学科学学院
董文欣 2015级医学部
排版：须臾
