超快激光助力观察量子运动

量子粒子可以很快地改变它们的状态——这被称为“量子跳跃”。例如，一个原子可以吸收一个光子，从而变成一个更高能量的状态。通常情况下，这些过程从一个时刻到下一个时刻被认为是瞬间发生的。然而，有了维也纳技术大学（奥地利维也纳）开发的新方法，现在有可能研究这种非常快的状态变化的时间结构了。就像电子显微镜使我们可以看到那些因为太小以致于肉眼看不见的结构，超短激光脉冲使我们能够分析那些在过去无法达到的时间结构。

该项目的理论部分是由维也纳技术大学Joachim Burgd?rfer教授的团队完成的，他们还为实验提出了原始的设想。该实验是在德国Garching的马克斯普朗克量子光学研究所进行的。该研究结果已经发表在了《自然*物理》杂志上。

量子跳跃最精确的时间测量

一个中性氦原子具有两个电子。当它被一个高能激光脉冲撞击的时候，可以发生电离：其中一个电子被从原子中剥离出来并离开原子。这个过程发生在一个阿秒的时间尺度上——一阿秒是十亿分之一秒的十亿分之一。

一个短的激光脉冲可以使氦原子电离并改变剩余电子的量子态。

“你可能会想，其他留在原子里的电子在这个过程中可能并没有起到什么重要的作用——但真实情况却不是这样的，”维也纳技术大学的Renate Pazourek说。这两个电子是相互关联的，它们由量子物理定律紧密的联系在一起，它们不能被看作是独立的粒子。“当一个电子被从原子中移除的时候，激光的一些能量可以被转移到第二个电子上。它虽然仍在原子里面，但已经被激发到了一个具有更高能量的状态，”维也纳技术大学的Stefan Nagele说。

因此，区分两种不同的电离过程是可能的：在第一种过程中，留下来的电子获得了额外的能量，而第二种过程中留下来的电子保持在一个最小的能量状态。通过使用一个复杂的实验装置，有可能显示出这两个过程的持续时间是不完全相同的。

“当留下来得电子跃迁到一个激发态的时候，这个光电离过程会稍快一些——大约快5阿秒，”Stefan Nagele说。值得注意的是，该实验结果与在维也纳科学集群——奥地利最大的超级计算机——上进行的理论计算和大型计算机模拟结果符合得非常好：“该实验的精度优于一个阿秒。这是迄今为止对量子跳跃进行的最精确的时间测量，”Renate Pazourek说。

控制阿秒

该实验提供了对超短时间尺度物理的新洞见。几十年前仍然被认为是“瞬时”的效应，现在可以被看作是可以计算，测量，甚至控制的时间发展。这不仅有助于了解自然的基本规律，它也带来了在量子尺度上操纵物质的新的可能性。