电子是如何离开原子的？测量电子的量子相位或已成为可能

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2019-12-03
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博科园：本文为量子物理学类

维也纳工业大学科学家开发的一种新测量协议，使得测量电子的量子相位成为可能，这是阿秒物理学的一个重要步骤。它就像一个时间显微镜：今天阿秒物理学的方法能让科学家测量极短的时间间隔。在短激光脉冲的帮助下，可以在阿秒的时间尺度(即十亿分之一秒的十亿分之一秒)上研究物理过程。例如，可以研究单个原子是如何电离的，以及电子是如何离开原子的。电子并不是简单地表现得像点一样的粒子，但它的量子物理波特性起着重要作用：

电子实际上是一种电子波，它在极短的时间尺度上振荡，并且也在极小的长度尺度上振荡。测量这样一个振荡的周期持续时间是一个巨大挑战，但更难确定它的相位：电子振荡跟随的节拍到底是多少？如果一个电子可以两种不同的方式电离，那么两个电子波是会完全一致地振荡，还是会有一个小的时间延迟(即相移)？来自维也纳工业大学和中佛罗里达大学CREOL学院的一个团队现在从理论上设计了一种能测量这种电子波相位的协议。

电子不同步吗？

这使得在光传感器或光伏中使用的重要现象的新的、更好的视图。任何波都由波峰和波谷组成，波的相位告诉我们它们在空间和时间上的位置。如果两个量子波重叠，使得一个波的每个波峰与另一个波的波峰相遇，那么它们就会相加。但如果稍微移动其中一个波，使一个波的波峰与另一个波的波谷叠加，它们也可以抵消。因此，相移在量子物理中起着非常重要的作用。这类似于在音乐中找到正确的节奏：两个音乐家以相同节奏演奏是不够的。

（此处已添加圈子卡片，请到今日头条客户端查看）

一个或两个光子

它们的节拍也必须准确地在时间上重合，其间没有任何相移。为此，需要一个参考时钟，例如导体或节拍器。新开发的量子测量协议使用类似的东西：一个原子过程作为另一个原子过程的参考。在计算机模拟中，研究了被不同能量的激光脉冲电离氦原子。氦原子可以从激光脉冲中吸收光子并发射电子。然后这个电子有一个特定相位，这是非常难以测量的。新开发方法的诀窍是添加第二个量子效应作为时钟，可以说充当量子节拍器。

在某些条件下，原子也可以一次吸收两个光子，而不是只吸收一个光子。这种双重吸收导致相同的最终结果，电子以非常特定的能量飞走。但这一次，这个电子有一个不同的相位，这个差异可以测量。在阿秒物理学中，不可能简单地用相机创建量子物理系统的电影。相反，必须使用复杂的实验方案，目前正在使用各种这样的协议，但到目前为止，没有一种协议能直接测量电子相位。现在维也纳大学和中佛罗里达大学团队已经制定了新的协议，应该可以做到这一点。

新测量协议能让我们通过组合非常特殊的激光脉冲，将有关电子相位的信息转化为其空间分布。通过使用正确类型的激光脉冲，可以直接从电子的角度分布中获得相位信息。新提出的实验方案现已发表在《物理评论快报》上。现在，需要进行实验来测试这种方法的局限性，以便查看使用新协议在实践中可以获得哪些量子力学信息。