类似于光通过材料光栅的光学衍射，当电子被驻波衍射时，卡皮查-狄拉克效应（Kapitza-Dirac effect）就会发生。在最初的描述中，这种效应是与时间无关的。
2024年3月28日，浙江大学林康及法兰克福大学Reinhard Dörner共同通讯在Science 在线发表题为“Ultrafast Kapitza-Dirac effect”的研究论文，该研究在实验中首次发现了超快卡皮查-狄拉克效应（Kapitza-Dirac effect）。这为研究电子性质带来了全新的技术手段：通过拍摄电子脉冲在不同时刻穿过驻波脉冲产生的衍射条纹，人们可以直接观测电子的相位信息。
物理学家卡皮查和狄拉克在1933年提出，当电子束经过一个持续驻波光场时，同样也会发生衍射，这就是传统的卡皮查-狄拉克效应。由于技术限制，该现象直到2001年才被美国科学家首次实验证实。传统卡皮查-狄拉克效应的妙趣在于：波粒二象性的本质在这个效应中得到了最完美的阐述，粒子和波的角色转换了两次，电子从粒子变成了波，而光栅则从实体的材料变为非实体的光场。在这个过程中，n倍的光子动量ħkγ被传递到电子上，导致电子束偏转到离散的角度。与光子散射的粒子视角不同，驻波可以被认为是导致电子波包衍射的空间周期性质动力势。
在物质光学中，卡皮查-狄拉克效应用于操纵物质波。例如，驻波可以作为粒子束的相干分束器，包括电子、离子、原子和分子。这种物质分离器是粒子干涉仪的重要组成部分，它有许多应用，从极其敏感的引力效应研究到自旋极化电子的产生。此外，激光场通常用于电子显微镜中形成电子束。尽管已有大量的理论工作，但传统的电子上的卡皮查-狄拉克效应直到2001年才被观测到，因为实验上的挑战主要与该效应的整体薄弱有关。在那个实验中，使用了电子枪产生的窄准直电子束。电子穿过由两束反向传播的激光束形成的驻波。在最终电子动量谱中，观察到以双光子动量2 ħkγ间隔的离散衍射峰。
常规和超快卡皮查-狄拉克效应的动量空间透视（图源自Science ）
超快激光技术的出现为在超快泵浦-探针实验中解决卡皮查-狄拉克效应光子散射动力学问题和探索电子衍射的时间依赖性提供了机会。此外，强激光场可用于通过电离中性原子或分子产生电子，然后在实验中受到卡皮查-狄拉克效应的影响。这种激光场从原子或分子中释放出的电子具有与电子枪产生的电子不同的特殊性质。前者可以看作是一个在动量空间中具有广泛分布的相干电子波包，后者可以近似为一个动量空间分布接近于delta函数的平面波。
早期的尝试使用两个反向传播的100-ps(其中1 ps = 10−12 s)激光脉冲来形成驻波。脉冲驻波电离气相中的单个原子，使电子自由，随后使它们衍射。由于在强光场中光子散射率非常高，测量到的电子角发射分布由两个峰组成，其间距对应于数千个光子动量。这也被称为“彩虹”散射或通道。没有观察到双光子动量间隔的峰。在后来的实验中，55-fs驻波被用来散射中性原子。然而，这些实验都没有观察到干涉条纹，也没有接触到衍射过程的时间特性。
该研究通过跟踪脉冲电子波包在60飞秒(其中1飞秒= 10−15秒)驻波脉冲中在泵浦探测方案中的时空演变，观察到随时间变化的衍射模式。观察到的条纹间距与传统卡皮查-狄拉克效应产生的条纹间距不同。通过利用这种时间分辨衍射方案，可以获得自由电子相性质的时间演变，并可能成像离子势和电子退相干。
浙江大学物理学院研究员林康为第一作者和共同通讯作者，德国法兰克福歌德大学教授Reinhard Dörner为共同通讯作者，其他共同作者包括德国马克斯普朗克研究所梁昊博士，德国法兰克福歌德大学Sebastian Eckart, Alexander Hartung, Sina Jacob, Qinying Ji, Lothar Ph. H. Schmidt, Markus S. Schöffler, Till Jahnke, Maksim Kunitski。
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn1555
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