瑞典隆德大学首次实现光电子的量子态测量

研究人员首次实现了对从吸收高能光脉冲的原子中喷射出的电子的量子态测量，这要归功于瑞典隆德大学研究人员开发的一种新测量技术，该成果可以帮助我们更好地理解光与物质之间的相互作用。

当具有极紫外或X射线范围内极短频率的高能光与原子或分子相互作用时，它会导致电子从原子中“脱离”并通过光电效应被喷射出来。通过测量发射的电子及其动能，可以获得大量关于被辐照原子的信息。这是光电子能谱的基本原理。

被发射的电子（称为光电子）通常被视为经典粒子。实际上，光电子是一种必须用量子力学描述的量子客体，因为它非常小，在该尺度下世界需要用量子力学来描述。这意味着必须使用量子力学中的特殊规则来描述光电子，它不仅是一个普通的小粒子，而且表现得像波。

“通过测量光电子的量子态，我们的技术可以精确解决‘电子有多量子’这个问题。这与医学中用于脑部成像的CT扫描采用相同原理：我们通过从多个不同角度拍摄物体的二维图像来重建复杂的三维物体，”该研究的作者之一、原子物理学高级讲师David Busto表示。该研究现已发表在《自然·光子学》上。

这是通过用超短高能光脉冲电离原子来产生光电子量子态（相当于待测量的三维物体），然后使用一对不同颜色的激光脉冲拍摄二维图像并逐片重建量子态来实现的。

“该技术使我们首次能够测量从氦和氩原子发射的电子的量子态，证明光电子量子态取决于其发射材料的类型，”David Busto提到。

为何这些结果如此有趣？

爱因斯坦在一个多世纪前解释了光电效应，为量子力学的发展奠定了基础。随后凯·西格班利用这一现象研究电子在原子、分子和固体中的排列方式。

矛盾的是，这种技术完全依赖于测量光电子的经典属性，例如其速度。在凯·西格班于1981年因光电子能谱获得诺贝尔奖40多年后，终于出现了一种方法可以全面表征发射光电子的量子特性，从而扩展了光电子能谱的潜力。特别是，这种新测量技术提供了原本无法获得的量子信息。

这些结果有何用途？

David Busto提到：“我们将技术应用于相对已知的简单原子（氦和氩）。未来，它可以用于研究分子气体、液体和固体，其中光电子的量子特性可以提供大量关于电离靶材在突然失去电子后如何反应的信息。在基础层面理解这一过程可能会对各个研究领域产生长期影响。例如大气光化学或光捕获系统的研究——这些系统收集和利用光能，如太阳能电池或植物光合作用。”

这项工作的另一个有趣之处在于它连接了两个不同的科学领域：一方面是阿秒科学和光谱学（诺贝尔奖得主安妮·卢利尔所从事的研究类型），另一方面是量子信息和量子技术。

这项研究对公众有何重要性？

“这项工作与正在进行的第二次量子革命相关，其目标是操纵单个量子客体（此处为光电子）以充分利用其量子特性实现各种应用。我们的量子态层析技术不会直接促成新量子计算机的建造，但通过提供光电子量子态的知识，它将使物理学家能够充分利用其量子特性实现未来应用。”

这项发现能用于何处？

“通过测量光电子的速度和发射方向，我们可以获得大量关于材料结构的信息。例如，这对于研究新材料的特性至关重要。我们的技术通过测量光电子的完整量子态，能够超越以往的方法。这意味着我们可以收集比传统光电子能谱更多关于靶材的信息。希望我们的技术能帮助揭示电子被喷射后材料中发生的过程。”

结果中有何令人惊讶之处？

“最令人惊讶的是我们的技术效果如此出色！物理学家曾尝试使用不同方法测量光电子的量子态，这些实验表明这非常困难。所有条件必须长期保持高度稳定，而我们最终成功实现了这些极为稳定的条件。”

何时选择用量子力学而非经典物理学来描述/研究事物？

在微观尺度上，电子、原子和分子用量子力学描述，而在宏观尺度上，我们在日常生活中接触的物体遵循经典物理定律。原子和其他微观系统不像日常物体那样行为，刻意夸张地说，它们并不以通常意义存在——没有明确的位置和速度。唯一可知的是实验室仪器的输出结果。

简而言之，当我们让多个量子客体彼此靠近时，它们会以不受控制的方式相互影响，实际上抵消了各自的量子特性。这个过程被称为退相干，是发展量子技术（如量子计算机）必须克服的关键挑战之一。

光电效应中发射的电子包含大量关于被辐照材料的信息。通过测量光电子的量子态，该技术可以精确解决“电子有多量子”这个问题。未来，研究人员希望这项技术能够追踪电子的量子特性如何随时间从量子态演化到经典态。

这种新的实验测量技术被命名为KRAKEN。

参考链接

[1]https://www.lunduniversity.lu.se/article/quantum-state-photoelectrons-measured-first-time

[2]https://www.nature.com/articles/s41566-024-01607-8