超快激光助力觀察量子運動

量子粒子可以很快地改變它們的狀態——這被稱為“量子跳躍”。例如，一個原子可以吸收一個光子，從而變成一個更高能量的狀態。通常情況下，這些過程從一個時刻到下一個時刻被認為是瞬間發生的。然而，有了維也納技術大學（奧地利維也納）開發的新方法，現在有可能研究這種非常快的狀態變化的時間結構了。就像電子顯微鏡使我們可以看到那些因為太小以致于肉眼看不見的結構，超短激光脈沖使我們能夠分析那些在過去無法達到的時間結構。

該項目的理論部分是由維也納技術大學Joachim Burgd?rfer教授的團隊完成的，他們還為實驗提出了原始的設想。該實驗是在德國Garching的馬克斯普朗克量子光學研究所進行的。該研究結果已經發表在了《自然*物理》雜志上。

量子跳躍最精確的時間測量

一個中性氦原子具有兩個電子。當它被一個高能激光脈沖撞擊的時候，可以發生電離：其中一個電子被從原子中剝離出來并離開原子。這個過程發生在一個阿秒的時間尺度上——一阿秒是十億分之一秒的十億分之一。

一個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。

“你可能會想，其他留在原子里的電子在這個過程中可能并沒有起到什么重要的作用——但真實情況卻不是這樣的，”維也納技術大學的Renate Pazourek說。這兩個電子是相互關聯的，它們由量子物理定律緊密的聯系在一起，它們不能被看作是獨立的粒子。“當一個電子被從原子中移除的時候，激光的一些能量可以被轉移到第二個電子上。它雖然仍在原子里面，但已經被激發到了一個具有更高能量的狀態，”維也納技術大學的Stefan Nagele說。

因此，區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最小的能量狀態。通過使用一個復雜的實驗裝置，有可能顯示出這兩個過程的持續時間是不完全相同的。

“當留下來得電子躍遷到一個激發態的時候，這個光電離過程會稍快一些——大約快5阿秒，”Stefan Nagele說。值得注意的是，該實驗結果與在維也納科學集群——奧地利最大的超級計算機——上進行的理論計算和大型計算機模擬結果符合得非常好：“該實驗的精度優于一個阿秒。這是迄今為止對量子跳躍進行的最精確的時間測量，”Renate Pazourek說。

控制阿秒

該實驗提供了對超短時間尺度物理的新洞見。幾十年前仍然被認為是“瞬時”的效應，現在可以被看作是可以計算，測量，甚至控制的時間發展。這不僅有助于了解自然的基本規律，它也帶來了在量子尺度上操縱物質的新的可能性。（文章來源：實驗幫）