洛桑聯邦理工學院 (EPFL) 物理學家雨果·迪爾 (Hugo Diehl) 教授表示：“時間概念困擾了哲學家和物理學家數千年，而量子力學的出現並沒有使問題變得簡單。” “根本問題是時間在量子力學中的一般作用，尤其是與量子傳輸相關的時間尺度。”
在最小的尺度上，物理過程以驚人的速度發生。諸如隧道效應或電子吸收光後躍遷到新能態等事件可能會在幾十阿秒（10-18 秒）內發生。這段時間非常短，以至於在此期間即使是光也無法穿過小病毒的寬度。
為什麼測量量子時間如此困難？
事實證明，記錄這些小片段的時間是非常困難的。任何外部計時設備都有可能干擾正在研究的脆弱量子過程並改變其行為。 “儘管 2023 年諾貝爾物理學獎表明我們可以實現如此短的時間，但使用這樣的外部時間尺度有引發偽影的風險，”戴爾說。 “這個挑戰可以通過基於累積相位和時間之間的相關性的量子乾涉方法來解決。”
一種無需時鐘即可測量時間的新方法
戴爾和他的團隊現已開發出一種完全避免外部時鐘的方法。當電子吸收光子並將其從物質中發射出來時，它們攜帶在其自旋中編碼的信息。這種自旋的變化取決於量子位移如何發生。通過仔細分析這些變化，研究人員能夠確定轉變需要多長時間。
正如該研究的第一作者郭飛所解釋的那樣，“這些實驗不需要外部參考或時鐘，並產生電子波函數在光子吸收後以更高能量從初始狀態演化到最終狀態所需的時間尺度。”
量子乾涉如何揭示持續時間
當光激發電子時，該過程並不遵循單一路徑。同時存在多個可能的量子路徑，並且它們相互干擾。這種干擾在發射電子的自旋中留下了清晰的痕跡。通過研究這種自旋模式如何隨著電子能量的變化而變化，研究小組能夠計算出轉變需要多長時間。
為了進行這些測量，研究人員使用了一種稱為自旋後角光電子能譜（SARPES）的方法。在這項技術中，強烈的同步加速器光照射材料，將其電子提升到更高的能量，迫使它們逃離材料的結構。然後科學家測量發射電子的能量、方向和自旋。
原子結構如何影響量子計時？
該團隊測試了原子排列截然不同的材料。有些是完全三維的，就像普通的銅一樣。其他材料，包括二硒化鈦 (TiSe2) 和二碲化鈦 (TiTe2)，由弱交聯層製成，其行為類似於平板。碲化銅 (CuTe) 具有更簡單的鏈狀原子結構。這些差異使該材料成為研究幾何形狀如何影響計時的理想材料。
結果顯示出一致的模式。物質的原子結構越簡單、越緊湊，量子轉變持續的時間就越長。在 3D 銅中，轉變非常快，大約需要 26 阿秒。
在層狀材料 TiSe2 和 TiTe2 中，相同的過程減慢至 140 至 175 阿秒。 CuTe 具有鏈狀結構，轉變時間超過 200 阿秒。這些結果表明，物質的原子尺度形狀強烈影響量子事件發生的速度，較低的對稱結構導致較長的躍遷時間。
這對於理解量子時間意味著什麼？
戴爾解釋說：“除了為理解光發射時間延遲的決定因素提供基礎信息外，我們的實驗結果還進一步深入了解了在量子水平上影響時間的因素，以及量子躍遷在多大程度上可以被認為是瞬時的，並可能為最終理解時間在量子力學中的作用鋪平道路。”
除了加深我們對量子物理學中時間的理解之外，這項工作還為研究電子在復雜材料中的行為提供了一種新工具。了解量子躍遷需要多長時間可以幫助科學家設計具有定制量子特性的材料，並支持依賴於量子態精確控制的未來技術。
其他貢獻者
- 洛桑超快科學中心 (LACUS)
- 保羅謝勒研究所
- 巴黎CY塞爾吉大學
- 巴黎薩克雷大學
- 西波西米亞大學
- 東京大學
發布日期: 2026-02-10 03:21:00
來源連結: www.sciencedaily.com
