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高尖端探測技術(shù)，華東師大等實驗，發(fā)現(xiàn)“量子波”單分子回聲！

2020-05-11 21:51 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

回聲，即由于波反射回聽者而重復(fù)或混響的聲音，通常在幾個物理系統(tǒng)中發(fā)生。在物理學(xué)研究中，回波通常被用來消除系統(tǒng)與環(huán)境相互作用引起的去相效應(yīng)，以及揭示某些物體的固有屬性。

魏茨曼科學(xué)研究所和華東師范大學(xué)(ECNU)的研究人員，通過實驗觀察到單個孤立分子中的量子波包回聲。其研究成果發(fā)表在《自然物理學(xué)》期刊上，可能會為探測分子中超快的分子內(nèi)過程引入新工具。

開展這項研究的研究人員之一伊利亞·阿弗巴克赫(Ilya Averbukh)教授說：2017年魏茲曼研究所的基布茨·艾因蓋迪(Kibbutz Ein Gedi)組織了一個關(guān)于非線性光學(xué)的研討會，期間，我們與中國同事進行了一次討論，得出了這項研究的結(jié)果，此前我們與上海以及第戎勃艮第大學(xué)的一個法國團隊，進行了持續(xù)成功的合作，專注于分子旋轉(zhuǎn)中的回聲。Averbukh和同事們最初進行的理論分析表明：

在分子氣體中觀察到的旋轉(zhuǎn)回波應(yīng)該與分子振動動力學(xué)相對應(yīng)，這一預(yù)測后來得到了實驗證實。然而開始進行實驗時，研究人員就意識到，華東師范大學(xué)使用的測量系統(tǒng)，也可以在極其稀薄的氣體中觀察到所謂的“回聲效應(yīng)”，甚至可能是在單個分子中。事實上，華東師范大學(xué)研究人員使用的設(shè)備，能夠檢測到單個分子的信號，一次一個。當(dāng)意識到這一點后，研究小組開始研究單個分子中的量子波包回聲。

實驗中使用的分子是振動冷卻的，因此所有分子與激光場的相互作用，都是從相同的初始狀態(tài)開始，并受量子力學(xué)定律的支配。通常，回聲出現(xiàn)在包含許多自旋、原子或分子的系綜中，這些自旋、原子或分子的性質(zhì)略有分散。在單分子情況下，所需的‘不確定性’是由量子力學(xué)引入，雖然所有分子都是從相同的初始態(tài)開始，它們被完全相同的激光場激發(fā)，但在激發(fā)后的狀態(tài)并不完全清楚，分子存在于多個量子振動態(tài)的‘疊加’中。

Averbukh和同事們研究的效應(yīng)與1965年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者理查德·費曼(Richard Feynman)在一項著名思維實驗中介紹的結(jié)果相似。在這項“格丹肯實驗”中，費曼考慮通過兩個間隔很近的狹縫逐個發(fā)送電子，并從這些狹縫后面的屏幕上收集信號。如果沒有引入額外的測量，量子力學(xué)定律將“阻止”研究人員知道每個單獨的電子通過哪個狹縫。結(jié)果，雖然個別電子被隨機散布在屏幕周圍。

但當(dāng)實驗重復(fù)多次時，個別在屏幕上的點擊形成了由這種“量子不確定性”造成的干涉圖案。在新研究的情況下，量子干涉發(fā)生在每個單獨的分子內(nèi)部，它在時域而不是規(guī)則空間中表現(xiàn)出來。從某種意義上說，新研究呈現(xiàn)了費曼思維實驗的分子內(nèi)時間分辨版本。在進行的實驗中，用飛秒和Angstrom分辨率可視化了孤立單分子中量子波包回波的時空動力學(xué)。為了做到這一點，研究人員使用了華東師范大學(xué)研究小組在超高真空室中設(shè)計符合的探測技術(shù)。

華東師范大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)團隊進行實驗的吳健教授說：分子與激光脈沖相互作用，一次一個，并且是單獨測量的。類似于‘單粒子’干涉實驗，例如單電子或單光子通過雙縫，在這里，測量被重復(fù)多次，直到單分子回波的概率分布在空間和時間上清晰可見。通過脈沖激發(fā)分子中的振動波，研究人員能夠觀察到它們隨時間的振蕩和彌散。這使得能夠確定分子中回聲形成背后的兩個關(guān)鍵機制，即斯塔克誘導(dǎo)的分子勢能振動和在核空間分布中產(chǎn)生耗盡誘導(dǎo)的“空洞”。

觀察到來自單個分子的回聲，是一種不同尋常的結(jié)果。以前的大多數(shù)研究都集中在分子不均勻分布中出現(xiàn)的回聲，其中回聲通常被用來消除不同分子之間的個體差異。另一方面，目前這項研究背后的團隊，能夠內(nèi)在地探測單個分子的內(nèi)部屬性，收集有趣的新結(jié)果。開展這項研究的另一位研究人員葉海姆·普賴爾(Yehiam Prior)教授說：我們對單分子的實驗加入了少量相關(guān)實驗，如單電子、單原子或單光子的干擾(例如雙縫Young實驗)。

因此，它們?yōu)榱孔恿W(xué)中波粒二象性的基本元素提供了新視角。到目前為止，魏茨曼科學(xué)研究所和華東師范大學(xué)的科學(xué)家們，已經(jīng)在單個小分子上進行了實驗。然而，在未來，他們的程序原則上可以用來研究具有許多內(nèi)部自由度較大物體中的回聲，從而能夠研究孤立分子中的這些內(nèi)部自由度。此外，其研究發(fā)現(xiàn)可能會為開發(fā)更有效的工具，來探測不同分子中的特定過程鋪平道路。