量子躍遷的快慢，取決于材料維度

時間究竟是什么、又該如何定義？這是哲學(xué)與物理學(xué)長期懸而未決的難題。量子力學(xué)的出現(xiàn)并沒有讓它迎刃而解，反而讓問題更顯棘手。歸根結(jié)底，關(guān)鍵在于：時間在量子力學(xué)中究竟扮演怎樣的角色——而這一核心議題之下，還分岔出一系列具體問題。其中一個重要的問題是：量子躍遷究竟發(fā)生在多短的時間尺度上。

在量子世界中，如電子通過吸收一個光子而改變其狀態(tài)等量子事件，都以快到令人難以想象的速度發(fā)生。但能量守恒意味著，這類躍遷不可能是瞬間完成的。理論上，它們應(yīng)該發(fā)生在阿秒量級（10?1?秒）。

但一直以來，要通過實(shí)驗(yàn)來測量如此微小的時間間隔都極具挑戰(zhàn)：不僅因?yàn)檫@些時間尺度極其短暫，還在于使用任何的外部計時工具，都有可能影響測量結(jié)果。不過，這兩個難點(diǎn)可以同時通過量子干涉法來解決，其關(guān)鍵依據(jù)是：量子態(tài)會積累相位，而相位的積累與時間演化有關(guān)。

在一項(xiàng)新的研究中，研究人員利用“光電發(fā)射”過程中逸出電子的自旋來讀取相位信息，從而推斷這次量子躍遷持續(xù)了多長時間。這些實(shí)驗(yàn)不需要外部參考或時鐘，就能得到在吸收光子之后，電子的波函數(shù)從初始態(tài)演化到更高能量的最終態(tài)所需的時間尺度。

與維度/對稱性有關(guān)

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用了一種名為“自旋與角分辨光電發(fā)射光譜”（SARPES）的技術(shù)，在具有不同維度特征與不同關(guān)聯(lián)強(qiáng)度的材料中測量了量子躍遷的時間尺度。這種方法涉及到用強(qiáng)同步輻射光照射材料，將其中的電子推至更高能量并迫使它們逸出材料結(jié)構(gòu)，隨后測量這些逸出電子的能量、方向和自旋。

其原理是這樣的：當(dāng)光激發(fā)一個電子時，電子并不是只能走一條“唯一路徑”。在量子力學(xué)里，它可以同時沿著幾條不同的量子路徑演化。這些路徑會彼此干涉，而這種干涉會在逸出電子的自旋上呈現(xiàn)為一種特定的圖樣。通過研究這種自旋圖樣如何隨電子能量而變化，研究團(tuán)隊(duì)便能計算出該量子躍遷的持續(xù)時間。

他們測試了在原子尺度上具有不同“形狀”的材料，有些材料是完全三維的，例如普通的銅；還有些材料是由彼此連接較弱的層狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，表現(xiàn)得更像平坦的薄片，如二硒化鈦（TiSe?）和二碲化鈦（TiTe?）；還有呈鏈狀的結(jié)構(gòu)，比如碲化銅（CuTe）。這些差異使它們非常適合用于檢驗(yàn)幾何形態(tài)如何影響時間尺度。

體系的維度(更準(zhǔn)確地說是對稱性）與量子躍遷的時間尺度之間存在直接聯(lián)系。（圖/Guo et al./Newton）

實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)出了一個清晰的規(guī)律——材料的結(jié)構(gòu)越簡單、越“降維”，量子躍遷持續(xù)的時間就越長：在三維銅中，這一躍遷極其迅速，持續(xù)約26阿秒；在兩種層狀材料TiSe?和TiTe?中，這一過程明顯變慢，時間尺度達(dá)到約140–175阿秒；而在具有鏈狀結(jié)構(gòu)的CuTe中，躍遷時間的耗時則超過了200阿秒。

這意味著，材料在原子尺度上的“形狀”會顯著影響量子事件展開的快慢：對稱性更低的結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致更長的躍遷時間。

意義與應(yīng)用

這項(xiàng)研究不僅幫助理解“光電發(fā)射為何會有時間延遲、由什么決定”，還進(jìn)一步揭示：在量子層面，哪些因素會影響時間，以及量子躍遷在多大程度上可以被視為瞬時；這些結(jié)果構(gòu)成了理解量子力學(xué)中時間問題這一“拼圖”的重要一塊。

此外，這些發(fā)現(xiàn)也提供了一種工具，用于探測電子在復(fù)雜材料中如何相互作用。了解一次量子躍遷持續(xù)多久，可以幫助科學(xué)家設(shè)計具有特定量子特性的材料，并改進(jìn)那些依賴于精確控制量子態(tài)的未來技術(shù)。

#參考來源：

https://actu.epfl.ch/news/measuring-time-at-the-quantum-level/

https://www.cell.com/newton/fulltext/S2950-6360(25)00366-4

#圖片來源：

封面圖&首圖：lisaleo/ Pixabay