氫原子的電子波函數示意圖。(公有領域)
氫原子的電子波函數示意圖。(公有領域)

經過十幾年的研究,一組科學家第一次通過實驗的方法成功地重構了量子波函數。這項成果11月3日發表於《自然》(Nature)期刊。

波函數是描述量子粒子特性的抽象概念,是物理學家構建量子力學的重要基石。電子在不同材料內部所展現的特性不同,掌握這其中的規律是研發新材料所需要的關鍵環節。

要預測一個電子在材料內移動的速度,或是它所攜帶的能量,科學家使用的是1929年物理學家布洛赫(Felix Bloch)提出的布洛赫波(Bloch wave)函數。這對開發量子設備很重要。在這個函數提出九十多年後,這份研究終於首次通過實驗重構了這個波函數。

主要研究者之一加州大學聖塔芭芭拉分校(University of California,Santa Barbara,縮寫U.C.S.B.)畢業生科斯特洛(Joe Costello)說:「電子的波函數很特別,如果你要設計用到量子學特性的新設備,你需要對這些(函數所涉及的)參數非常了解。」

這些參數非常抽象,比如電子的能量級、以及函數「相位」(phase)等。在以前的研究中,科學家對電子的能量級有了不錯的探討;然而隨著量子技術的發展,相位參數的重要性隨之增加。這正是這份研究重點突破的對象。

這個研究組用兩束激光和半導體材料砷化鎵進行實驗,從它們的互動中對相位參數展開探索。這個實驗包含三個步驟。第一步他們先用近紅外激光刺激材料內的電子。這給予電子能量使其在半導體中快速運動。電子是帶負電荷的,當它們快速運動的時候,會出現一個名為「空穴」(hole)的粒子隨著一起移動,空穴可以理解為是電子的影子粒子,但是它帶正電荷。

第二步,研究人員使用另一束超快脈衝激光把電子和空穴擊散,之後又快速允許它們重聚。這束激光作用的時間短到只有萬億分之一秒。最後,空穴和電子在分開期間所增加的能量,在重聚的時候以出現一道閃光的方式釋放。

十年前,這個研究組的負責人U.C.S.B.的物理學家舍溫(Mark Sherwin)就意識到,這些閃光的特性對激光的特性很敏感。現在,他引領的研究組通過實驗展示,電子和空穴重聚時所發出閃光,與開始的時候用於衝擊電子的激光的偏振特性密切相關。正是激光的偏振特性影響著電子和空穴之間波函數的不同「相位」。最後釋放的閃光的偏振性,也是由這個函數的相位決定的。

在以前,相位這樣抽象的參數無法用物理公式上實際的數字描述,而這份研究把它與實際的、光的偏振度的測量聯繫起來。

沒有參與這份研究的同行、史丹福大學物理學家吉米爾(Shambhu Ghimire)告訴美國科學人(Scientific American),這份研究把以前完全不可捉摸的、抽象的數學概念,用對光的測量展示了出來,這份研究的突破之處正在於此。#

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