維也納工業(yè)大學科學家開發(fā)的一種新測量協(xié)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。

在短激光脈沖的幫助下，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。電子并不是簡單地表現(xiàn)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，并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(xù)時間是一個巨大挑戰(zhàn)，但更難確定它的相位：電子振蕩跟隨的節(jié)拍到底是多少？如果一個電子可以兩種不同的方式電離，那么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(yè)大學和中佛羅里達大學CREOL學院的一個團隊現(xiàn)在從理論上設計了一種能測量這種電子波相位的協(xié)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(xiàn)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，那么它們就會相加。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。這類似于在音樂中找到正確的節(jié)奏：兩個音樂家以相同節(jié)奏演奏是不夠的。

一個或兩個光子

它們的節(jié)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(jié)拍器。新開發(fā)的量子測量協(xié)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激光脈沖電離氦原子。氦原子可以從激光脈沖中吸收光子并發(fā)射電子。然后這個電子有一個特定相位，這是非常難以測量的。新開發(fā)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(jié)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(jié)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(chuàng)建量子物理系統(tǒng)的電影。相反，必須使用復雜的實驗方案，目前正在使用各種這樣的協(xié)議，但到目前為止，沒有一種協(xié)議能直接測量電子相位?，F(xiàn)在維也納大學和中佛羅里達大學團隊已經(jīng)制定了新的協(xié)議，應該可以做到這一點。

新測量協(xié)議能讓我們通過組合非常特殊的激光脈沖，將有關電子相位的信息轉(zhuǎn)化為其空間分布。通過使用正確類型的激光脈沖，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(xiàn)已發(fā)表在《物理評論快報》上?，F(xiàn)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(xié)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(yè)大學

參考期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.133203

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