量子粒子可以很快地改變它們的狀態(tài)——這被稱為“量子跳躍”。例如，一個(gè)原子可以吸收一個(gè)光子，從而變成一個(gè)更高能量的狀態(tài)。通常情況下，這些過程從一個(gè)時(shí)刻到下一個(gè)時(shí)刻被認(rèn)為是瞬間發(fā)生的。然而，有了維也納技術(shù)大學(xué)（奧地利維也納）開發(fā)的新方法，現(xiàn)在有可能研究這種非?？斓臓顟B(tài)變化的時(shí)間結(jié)構(gòu)了。就像電子顯微鏡使我們可以看到那些因?yàn)樘∫灾掠谌庋劭床灰姷慕Y(jié)構(gòu)，超短激光脈沖使我們能夠分析那些在過去無法達(dá)到的時(shí)間結(jié)構(gòu)。
該項(xiàng)目的理論部分是由維也納技術(shù)大學(xué)Joachim Burgd?rfer教授的團(tuán)隊(duì)完成的，他們還為實(shí)驗(yàn)提出了原始的設(shè)想。該實(shí)驗(yàn)是在德國Garching的馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所進(jìn)行的。該研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在了《自然*物理》雜志上。
量子跳躍最精確的時(shí)間測(cè)量
一個(gè)中性氦原子具有兩個(gè)電子。當(dāng)它被一個(gè)高能激光脈沖撞擊的時(shí)候，可以發(fā)生電離：其中一個(gè)電子被從原子中剝離出來并離開原子。這個(gè)過程發(fā)生在一個(gè)阿秒的時(shí)間尺度上——一阿秒是十億分之一秒的十億分之一。
“你可能會(huì)想，其他留在原子里的電子在這個(gè)過程中可能并沒有起到什么重要的作用——但真實(shí)情況卻不是這樣的，”維也納技術(shù)大學(xué)的Renate Pazourek說。這兩個(gè)電子是相互關(guān)聯(lián)的，它們由量子物理定律緊密的聯(lián)系在一起，它們不能被看作是獨(dú)立的粒子。“當(dāng)一個(gè)電子被從原子中移除的時(shí)候，激光的一些能量可以被轉(zhuǎn)移到第二個(gè)電子上。它雖然仍在原子里面，但已經(jīng)被激發(fā)到了一個(gè)具有更高能量的狀態(tài)，”維也納技術(shù)大學(xué)的Stefan Nagele說。
因此，區(qū)分兩種不同的電離過程是可能的：在第一種過程中，留下來的電子獲得了額外的能量，而第二種過程中留下來的電子保持在一個(gè)最小的能量狀態(tài)。通過使用一個(gè)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置，有可能顯示出這兩個(gè)過程的持續(xù)時(shí)間是不完全相同的。
“當(dāng)留下來得電子躍遷到一個(gè)激發(fā)態(tài)的時(shí)候，這個(gè)光電離過程會(huì)稍快一些——大約快5阿秒，”Stefan Nagele說。值得注意的是，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與在維也納科學(xué)集群——奧地利最大的超級(jí)計(jì)算機(jī)——上進(jìn)行的理論計(jì)算和大型計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果符合得非常好：“該實(shí)驗(yàn)的精度優(yōu)于一個(gè)阿秒。這是迄今為止對(duì)量子跳躍進(jìn)行的最精確的時(shí)間測(cè)量，”Renate Pazourek說。
控制阿秒
該項(xiàng)目的理論部分是由維也納技術(shù)大學(xué)Joachim Burgd?rfer教授的團(tuán)隊(duì)完成的，他們還為實(shí)驗(yàn)提出了原始的設(shè)想。該實(shí)驗(yàn)是在德國Garching的馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所進(jìn)行的。該研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在了《自然*物理》雜志上。
量子跳躍最精確的時(shí)間測(cè)量
一個(gè)中性氦原子具有兩個(gè)電子。當(dāng)它被一個(gè)高能激光脈沖撞擊的時(shí)候，可以發(fā)生電離：其中一個(gè)電子被從原子中剝離出來并離開原子。這個(gè)過程發(fā)生在一個(gè)阿秒的時(shí)間尺度上——一阿秒是十億分之一秒的十億分之一。
一個(gè)短的激光脈沖可以使氦原子電離并改變剩余電子的量子態(tài)。
“你可能會(huì)想，其他留在原子里的電子在這個(gè)過程中可能并沒有起到什么重要的作用——但真實(shí)情況卻不是這樣的，”維也納技術(shù)大學(xué)的Renate Pazourek說。這兩個(gè)電子是相互關(guān)聯(lián)的，它們由量子物理定律緊密的聯(lián)系在一起，它們不能被看作是獨(dú)立的粒子。“當(dāng)一個(gè)電子被從原子中移除的時(shí)候，激光的一些能量可以被轉(zhuǎn)移到第二個(gè)電子上。它雖然仍在原子里面，但已經(jīng)被激發(fā)到了一個(gè)具有更高能量的狀態(tài)，”維也納技術(shù)大學(xué)的Stefan Nagele說。
因此，區(qū)分兩種不同的電離過程是可能的：在第一種過程中，留下來的電子獲得了額外的能量，而第二種過程中留下來的電子保持在一個(gè)最小的能量狀態(tài)。通過使用一個(gè)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置，有可能顯示出這兩個(gè)過程的持續(xù)時(shí)間是不完全相同的。
“當(dāng)留下來得電子躍遷到一個(gè)激發(fā)態(tài)的時(shí)候，這個(gè)光電離過程會(huì)稍快一些——大約快5阿秒，”Stefan Nagele說。值得注意的是，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與在維也納科學(xué)集群——奧地利最大的超級(jí)計(jì)算機(jī)——上進(jìn)行的理論計(jì)算和大型計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果符合得非常好：“該實(shí)驗(yàn)的精度優(yōu)于一個(gè)阿秒。這是迄今為止對(duì)量子跳躍進(jìn)行的最精確的時(shí)間測(cè)量，”Renate Pazourek說。
控制阿秒
該實(shí)驗(yàn)提供了對(duì)超短時(shí)間尺度物理的新洞見。幾十年前仍然被認(rèn)為是“瞬時(shí)”的效應(yīng)，現(xiàn)在可以被看作是可以計(jì)算，測(cè)量，甚至控制的時(shí)間發(fā)展。這不僅有助于了解自然的基本規(guī)律，它也帶來了在量子尺度上操縱物質(zhì)的新的可能性。
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