唉，看不懂誒，和科普雙縫幹涉實驗有區別沒？

單原子的雙縫幹涉實驗

中國物理學會期刊網 2020年3月20日

(中國科學院半導體研究所 姬揚 編譯自 Andrew Murray. Physics World，2020，(2): 31)

著名的楊氏雙縫實驗演示了光的幹涉原理。現在，利用雷射激發單個銣原子，可以做一種等效的單原子的雙縫幹涉實驗。

在過去的20年裡，我面試過400多名想來曼徹斯特大學學習物理的學生。楊氏雙縫實驗是經常出現的題目，顯然讓學生們感興趣。但是，當我問起這個實驗是什麼，他們總是回答：用電子演示波粒二象性——量子物理學的基石之一。這很奇怪，因為楊(Thomas Young)在1804 年做的這個實驗——遠在我們對電子或亞原子世界有任何了解之前。

最初的楊氏雙縫實驗首次證明了幹涉現象。他讓光穿過兩條狹長的縫，觀察遠處屏幕上形成的圖案，楊沒有發現兩個對應於狹縫的明亮區域，而是看到了亮暗相間的條紋。他解釋了這個意外的觀察結果，提出光是一種波，反對牛頓關於光由粒子組成的觀點。這些實驗及其隨後的解釋，最終形成了經典的輻射定律，總結為著名的麥克斯韋方程。

直到上個世紀，量子力學的基礎牢固建立了以後，楊氏實驗和波粒二象性的聯繫才變得明顯。1961年，德國圖賓根大學的Claus Jönsson 在銅片上加工出一組300 nm 寬的狹縫，然後用電子顯微鏡的40 keV 電子束照射。由此產生的圖像顯示了一種幹涉模式，就像楊在160 年前首次用光看到的那樣。這是首次的電子雙縫實驗，證明電子束表現得像波。但是Jönsson 不能產生或測量單個電子，因而不能證明每個電子本身都有波的特性。

1965 年，費曼在加州理工學院做了一系列著名的講座，其中討論了，朝著雙縫發射單電子，在原則上可以產生幹涉圖案——從而證明了物質的波粒二象性。費曼並不認為他的思想實驗是可能的，但是製造技術的進步逐漸使這個前景接近現實。最終， 義大利的StefanoFrabboni 及其同事讓電子通過只有83 nm寬的狹縫，證明了幹涉。

使用200 keV 的電子顯微鏡，Frabboni 小組能夠將束流變得非常弱，能夠以很高的概率預測，在任何給定時刻，在源和探測器之間不超過一個電子。但由於探測器的局限性，他們不能直接測量單個電子的幹涉。直到2013 年，終於做了第一個實驗，令人信服地證明了單個電子的雙縫幹涉(圖1)。

圖1 單電子的楊氏雙縫實驗。如果向兩個狹縫1 和2 發射單個粒子(光子或電子)，則沿每條路徑的波函數φ12描述它們通過狹縫的概率，探測器上的總波函數是φdet=φ12。探測到粒子的概率是φdet21212|是波的振幅，Δξ是它們在探測器上的相位差。其結果是一系列亮帶和暗帶，依賴於兩個波前是同相位(cosΔξ=1)還是反相位(cosΔξ=-1)，意味著檢測到粒子的機會要麼很高，要麼很低。但是，如果關閉狹縫2，那麼φ2= 0，看到的粒子分布僅僅是由於狹縫1(φdet21=0，分布由(φdet2)給出。分別測量兩個狹縫的信號，可以計算幹涉項，然後打開兩個狹縫，測量粒子的分布

美國內布拉斯加-林肯大學的Roger Bach 和同事們使用62 nm 寬的狹縫，讓能量僅為0.6 keV的電子通過這些狹縫。更低的能量使得電子的德布羅意波長變得更長，不僅讓幹涉模式分離得更開，還可以使用通道板探測器(channel plate detector)，從而計數單個電子。Bach 小組能夠用擋板遮住狹縫，每個狹縫都可以單獨打開或關上。

在這些實驗中，Bach 小組降低了入射光束的強度，使得每秒鐘只能探測到一個電子，從而保證在任何時候，源和探測器之間最多只有一個電子(概率大於99.9999%)。實驗連續進行了兩個小時，起初，單個的電子好像是屏幕上隨機產生的點。但是，隨著檢測到的電子越來越多，亮暗區域相間的幹涉模式就逐漸顯露出來。

每個電子都是在下一個電子發射前就被檢測到的，顯然不可能影響未來通過狹縫的電子。正如費曼所說的：我們必須承認，每個電子(事實上也是所有的物質)都具有類似波的性質(產生了幹涉模式)，而且也必然是單獨的粒子(因為就是這樣被探測到的)。因此，面試的學生們在討論波粒二象性的時候，應該引用這個雙縫實驗，而不是1804 年的楊氏實驗。

然而，這並不是楊氏雙縫實驗的終點。科學的新發現和新思想常常來自於貌似不相關的工作，最近在曼徹斯特大學，我們的研究小組發現了一種全新的實驗方法。我們用雷射來激發原子，然後向它們發射電子，研究原子採用的「形狀」。電子隨著原子的退激發而獲得能量，我們在不同的角度捕捉這些被散射的電子。

對於這種「 超彈性」 碰撞過程，我們已經了解得很多，研究了很多年。但是，在用420.30 nm藍光激發銣原子中的一種特殊狀態(6P 態) 時， 我們發現了一件怪事。這一次我們沒有在超彈性碰撞過程中找到任何電子。為什麼沒有信號呢？

結果表明，實驗中的雷射束產生了大量的光電子(即使關掉入射電子束，也能看到這些光電子)，但它們都處於低能態。實際上，光電子以4種不同的能量出現，數量大得淹沒了我們期望的超彈性信號。光電子不僅來自6P態，還來自原子能夠弛豫到的能量更低的態，包括從5P態中踢出來的0.36 eV電子(圖2(a))。

圖2 單原子的楊氏雙縫實驗。(a)新版本的楊氏雙縫實驗不用向狹縫發射粒子，而是用雷射以不同的方式激發銣原子。用藍色420.30 nm雷射把原子從5S態激發到6P態(由藍色粗箭頭表示的躍遷)。6P態弛豫到另外兩種態(4D 和6S)，然後弛豫回到第4 種狀態(5P)——弛豫由虛線箭頭表示。額外的藍色光子(也是420.30 nm波長)可以電離這些態，產生4 種不同能量的光電子(以藍色細箭頭表示)，包括0.36 eV。在780.24 nm處使用第二個紅外雷射器，可以將銣原子激發到5P 態，也可以從6P 態產生0.36 eV的光電子(紅色箭頭)。(b)讓探測器只測量0.36 eV的電子，它們來自兩種可能的路徑——要麼通過紅外雷射電離的6P態，要麼通過藍色雷射電離的5P態。這兩條路可以打開或關閉，就像在傳統的雙縫實驗中打開或關閉狹縫一樣

但是，這和雙縫實驗有什麼關係呢？我們認識到，如果發射第二束波長為780.24 nm 的紅外雷射束，這種光不僅能把原子激發到5P態，而且還能電離6P態，產生能量為0.36 eV的光電子。與藍光在電離5P 態的銣原子時產生的光電子能量完全相同。

換句話說，有兩條可能的路徑產生這種能量的光電子( 圖2(b))。雷射束有效地「引導」了光電離過程，所以它要麼通過波函數Ψ12的6P 態(相當於狹縫2)，或兩個態同時進行。我們不測量屏幕上光子或電子的強度，而是在雷射束的偏振度，計數在不同角度θ上的光電子數目——所謂的微分截面DCS(θ)。稍微改變一個或另一個雷射器的頻率，可以打開或關閉通路，就像在傳統的楊氏雙縫實驗中打開或關閉狹縫一樣。讓藍色雷射器失諧，可以只激發5P 態，關閉了路徑2，得到的光電子產率為DCS，其中θ是散射角。關掉紅外線雷射器，就只激發6P態，關閉了路徑1，得到DCS2。當兩個雷射器都處於共振時，兩個態都會激發，波函數必須相加，得到DCS1+212就像楊氏實驗一樣，我們最終得到了幹涉模式。實際上，幹涉項DCSinterf122| 是沿著每條路徑的振幅，Δχ是到達探測器的波的相對相移。通過三組測量，可以確定DCSinterf(θ)：一組是兩個雷射器共振，給出DCS1+2(θ)，另一組是藍色雷射非共振，給出DCS1

新雙縫實驗的困難在於，找到一種方法檢測能量僅為0.36 eV的光電子，這比早期電子顯微鏡研究的能量低60 萬倍。我們的解決方法是，在實驗中小心地消除磁場和電場(否則會影響原子產生電子)，並且製作了探測器，能夠在這種能量下選擇和計數單個電子。

這個實驗揭示了什麼？

如果兩條電離路徑之間沒有幹涉(正如對電離過程的經典解釋所預期的那樣)，那麼在所有角度上，幹涉項和相對相移都應該是零。但結果並不為0( 圖3)。例如， 幹涉項從-0.14 到-0.56 不等，證明兩條路徑之間存在顯著的幹涉。同時，平均相移為Δχ=115°，也遠遠不等於0。這清楚地表明，每個原子產生的單個電子必須具有波的性質，直到它們作為真實粒子被探測器檢測到。事實上，我們的結果與JonasWätzel 和Jamal Berakdar 的計算結果符合得非常好——他們來自於德國馬丁-路德大學，是光電離過程的數值計算專家。

圖3 從想法到實驗。在等價的楊氏雙縫實驗中，位於真空室裡的原子爐發射一束銣原子。向銣原子發射藍色和紅外雷射，給銣原子提供能量。讓兩束雷射垂直地進入真空室，360° 地改變雷射的偏振角度，測量不同角度的光電子的數量。這幅圖顯示了測量的「微分截面」DCSinterf(θ)，產生0.36 eV 光電子的兩種可能的電離途徑之間的「相對相移」Δχ = χ12(θ)。如果沒有幹涉，則DCSinterf(θ)將為零，而Δ χ也為0。這些數值顯然不是0，並且與理論計算結果一致，從而表明光電子既有波動性也有粒子性，證實了波粒二象性

展望未來，我們正在擴展和改進模型，以研究其他原子、其他態和不同區域(regime)的幹涉。例如，最近應用於飛秒雷射激發的過程。進一步的理論研究表明，選擇能量接近的原子態，可以顯著增強幹涉項，而且，初始態沒有必要是基態——當這個過程以激發態原子開始時，會發生什麼呢？這可以幫助我們理解恆星的大氣，其組成原子通常處於激發態。另一種可能性是雙路徑激發到高激發態的裡德堡原子，其中的電子與原子核離得非常遠，整個原子就像細胞一樣大——因此可以用於量子計算機。

只有想像力能夠限制我們。

本文選自《物理》2020年第3期

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