電子是如何離開原子的？測量電子的量子相位或已成為可能！

2020-10-18 博科園

維也納工業大學科學家開發的一種新測量協議，使得測量電子的量子相位成為可能，這是阿秒物理學的一個重要步驟。它就像一個時間顯微鏡：今天阿秒物理學的方法能讓科學家測量極短的時間間隔。在短雷射脈衝的幫助下，可以在阿秒的時間尺度(即十億分之一秒的十億分之一秒)上研究物理過程。例如，可以研究單個原子是如何電離的，以及電子是如何離開原子的。電子並不是簡單地表現得像點一樣的粒子，但它的量子物理波特性起著重要作用：

電子實際上是一種電子波，它在極短的時間尺度上振蕩，並且也在極小的長度尺度上振蕩。測量這樣一個振蕩的周期持續時間是一個巨大挑戰，但更難確定它的相位：電子振蕩跟隨的節拍到底是多少？如果一個電子可以兩種不同的方式電離，那麼兩個電子波是會完全一致地振蕩，還是會有一個小的時間延遲(即相移)？來自維也納工業大學和中佛羅裡達大學CREOL學院的一個團隊現在從理論上設計了一種能測量這種電子波相位的協議。

電子不同步嗎？

這使得在光傳感器或光伏中使用的重要現象的新的、更好的視圖。任何波都由波峰和波谷組成，波的相位告訴我們它們在空間和時間上的位置。如果兩個量子波重疊，使得一個波的每個波峰與另一個波的波峰相遇，那麼它們就會相加。但如果稍微移動其中一個波，使一個波的波峰與另一個波的波谷疊加，它們也可以抵消。因此，相移在量子物理中起著非常重要的作用。這類似於在音樂中找到正確的節奏：兩個音樂家以相同節奏演奏是不夠的。

一個或兩個光子

它們的節拍也必須準確地在時間上重合，其間沒有任何相移。為此，需要一個參考時鐘，例如導體或節拍器。新開發的量子測量協議使用類似的東西：一個原子過程作為另一個原子過程的參考。在計算機模擬中，研究了被不同能量的雷射脈衝電離氦原子。氦原子可以從雷射脈衝中吸收光子並發射電子。然後這個電子有一個特定相位，這是非常難以測量的。新開發方法的訣竅是添加第二個量子效應作為時鐘，可以說充當量子節拍器。

在某些條件下，原子也可以一次吸收兩個光子，而不是只吸收一個光子。這種雙重吸收導致相同的最終結果，電子以非常特定的能量飛走。但這一次，這個電子有一個不同的相位，這個差異可以測量。在阿秒物理學中，不可能簡單地用相機創建量子物理系統的電影。相反，必須使用複雜的實驗方案，目前正在使用各種這樣的協議，但到目前為止，沒有一種協議能直接測量電子相位。現在維也納大學和中佛羅裡達大學團隊已經制定了新的協議，應該可以做到這一點。

新測量協議能讓我們通過組合非常特殊的雷射脈衝，將有關電子相位的信息轉化為其空間分布。通過使用正確類型的雷射脈衝，可以直接從電子的角度分布中獲得相位信息。新提出的實驗方案現已發表在《物理評論快報》上。現在，需要進行實驗來測試這種方法的局限性，以便查看使用新協議在實踐中可以獲得哪些量子力學信息。

博科園｜研究/來自：維也納工業大學

參考期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.133203

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