近日，德國(guó)馬克斯—玻恩非線性光學(xué)與短脈沖光譜學(xué)研究所（MBI）的研究人員與國(guó)際伙伴一起研發(fā)了一個(gè)試驗(yàn)裝置，首次可以準(zhǔn)確確定電子從隧道效應(yīng)障礙物中出來(lái)的時(shí)間點(diǎn)。該研究為原子和分子中的“多電子重排”在空間和時(shí)間上的直接分辨提供了一個(gè)普遍方法。相關(guān)研究發(fā)表在《自然》雜志上。

在神奇的量子世界里原子和分子不再適用經(jīng)典的物理規(guī)律。在這里，電子可以克服能壘，盡管他們沒(méi)有必要的能量，這就是所謂的“隧穿效應(yīng)”。直接測(cè)量量子世界里的進(jìn)程是非常困難的，尤其當(dāng)他們時(shí)間尺度特別短的時(shí)候。因此，MBI的研究人員與來(lái)自以色列、加拿大和英國(guó)的同事一起研發(fā)了一個(gè)試驗(yàn)裝置，讓各種物理量的大小可以在比飛秒還短的時(shí)間尺度內(nèi)變化。通過(guò)測(cè)量和計(jì)算的比較，科學(xué)家獲得了一個(gè)量子時(shí)鐘，從而能夠以阿秒的精度確定發(fā)生電子隧穿的時(shí)刻。

研究人員先用一個(gè)強(qiáng)激光場(chǎng)誘導(dǎo)來(lái)自氦原子的電子隧道效應(yīng)，再用一個(gè)較弱的探測(cè)激光場(chǎng)將發(fā)生隧道效應(yīng)的電子引到側(cè)向進(jìn)行研究。這其中帶正電的原子核的吸引力就表現(xiàn)為需要克服的能壘，而緩慢振蕩并垂直照射隧穿電子的弱激光場(chǎng)則可以讓電子像被橡皮筋牽引一樣向原子核運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電子與原子核接近時(shí)會(huì)出現(xiàn)光閃爍的特性，這就是所謂的高次諧波。通過(guò)測(cè)量這些高次諧波的頻率、偏轉(zhuǎn)電子飛行路徑的長(zhǎng)度和偏轉(zhuǎn)激光場(chǎng)的屬性，研究人員就可以最終計(jì)算出電子跨越能壘的準(zhǔn)確時(shí)間點(diǎn)。

MBI的奧爾加•斯米爾諾娃博士用一個(gè)簡(jiǎn)單的比喻來(lái)解釋她們是如何得到電子隧穿時(shí)間點(diǎn)的。她說(shuō)：“當(dāng)你從一家咖啡店出來(lái)走向?qū)γ娴墓�共汽�?chē)站，弱激光場(chǎng)就像左右交替吹的風(fēng)，把你往路旁推。當(dāng)我們知道了風(fēng)的特點(diǎn)，即有多大、如何改變方向，我們就能說(shuō)出你走出門(mén)口的時(shí)間。”

現(xiàn)在，研究人員繼續(xù)用二氧化碳分子來(lái)進(jìn)行類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)。相對(duì)于只有兩個(gè)電子的氦，二氧化碳分子有20個(gè)電子。它們可能會(huì)停在不同的軌道，隧穿的電子根據(jù)所處軌道的不同會(huì)有一個(gè)很小的時(shí)間延遲。這個(gè)實(shí)驗(yàn)首次給了物理學(xué)家確認(rèn)隧穿電子源頭的機(jī)會(huì)。