物理學(xué)：科學(xué)家們提出了目前“量子躍遷”最準(zhǔn)確的測量方法！

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激光脈沖撞擊氦原子。其中一個電子被從原子中剝離出來，另一個電子可能會改變其量子態(tài)。圖片來源：TU Wien。

當(dāng)量子系統(tǒng)改變其狀態(tài)時，這稱為量子跳躍。通常，這些量子跳躍被認(rèn)為是瞬時的?，F(xiàn)在，高精度測量的新方法使我們能夠研究這些量子躍遷的時間演變。在阿秒的時間尺度上，它們的時間結(jié)構(gòu)變得可見。這是迄今為止最精確的量子躍遷時間測量。

量子粒子可以非?？焖俚馗淖兯鼈兊臓顟B(tài) - 這被稱為“量子躍遷”。例如，原子可以吸收光子，從而變成更高能量的狀態(tài)。通常，這些過程被認(rèn)為是從一個時刻到下一個瞬間瞬間發(fā)生的。然而，在TU Wien（維也納）開發(fā)的新方法中，現(xiàn)在可以研究這種極快狀態(tài)變化的時間結(jié)構(gòu)。就像電子顯微鏡一樣，我們可以看一下太小而無法用肉眼看到的微小結(jié)構(gòu)，超短激光脈沖使我們能夠分析過去難以接近的時間結(jié)構(gòu)。

該項目的理論部分由TU Wien（維也納）的JoachimBurgdrfer教授團(tuán)隊完成，該團(tuán)隊也開發(fā)了該實驗的初步想法。該實驗在Garching的Max-Planck量子光學(xué)研究所（德國）進(jìn)行。結(jié)果現(xiàn)已發(fā)表在“ 自然物理學(xué) ”雜志上。

量子跳躍的最準(zhǔn)確時間測量！

中性氦原子具有兩個電子。當(dāng)它被高能激光脈沖擊中時，它可以被電離：其中一個電子從原子中被撕掉并離開它。這個過程發(fā)生在阿秒的時間尺度上 - 一個阿秒是十億分之一秒的十億分之一。

Renate Pazourek（TU Wien）說：“人們可以想象留在原子中的另一個電子在這個過程中并沒有真正發(fā)揮重要作用 - 但事實并非如此”。兩個電子是相關(guān)的，它們通過量子物理定律緊密相連，它們不能被看作是獨立的粒子?！爱?dāng)一個電子從原子中移除時，一些激光能量可以轉(zhuǎn)移到第二個電子。它保留在原子中，但它被提升到更高的能量狀態(tài)”，Stefan Nagele（TU Wien）說。

一旦光子從氦原子中除去了電子，就有可能計算剩余電子的可能位置。最可能的電子位置在圖像中顯示為原子核周圍最亮的區(qū)域（圖像中本身不可見）。信用：M. Ossiander（TUM）/ M. Schultz（MPQ）。

因此，可以區(qū)分兩種不同的電離過程：一種是剩余電子獲得額外能量，另一種是電子保持最小能量狀態(tài)。使用復(fù)雜的實驗設(shè)置，可以證明這兩個過程的持續(xù)時間并不完全相同。

“當(dāng)剩余的電子跳躍到激發(fā)狀態(tài)時，光電離過程會稍微快一點 - 大約5阿秒”，Stefan Nagele說。值得注意的是，實驗結(jié)果與奧地利最大的超級計算機(jī)維也納科學(xué)集群的理論計算和大規(guī)模計算機(jī)模擬結(jié)果一致：“實驗的精度優(yōu)于一阿秒。這是最精確的時間測量Renate Pazourek說，迄今為止，這是一次量子跳躍。

控制阿秒！

該實驗為超短時間尺度的物理學(xué)提供了新的見解。幾十年前仍被視為“瞬時”的影響現(xiàn)在可以被視為可以計算，測量甚至控制的時間發(fā)展。這不僅有助于理解自然界的基本規(guī)律，還帶來了在量子尺度上操縱物質(zhì)的新可能性。