物理学家发现是什么在掌控量子世界的时间快慢

在最小尺度上，物理过程以惊人的速度展开。像隧穿效应或电子吸收光后跃迁到新能量态这样的事件，仅需几十阿秒（10的-18次方秒）就能发生。这段时间非常短暂，在此期间，连光都无法穿过一个小病毒的宽度。

为什么测量量子时间如此困难
跟踪这么微小的时间片段被证明极具挑战性。任何外部计时装置都可能干扰正在研究的脆弱量子过程，改变其行为。“尽管2023年诺贝尔物理学奖表明我们能够触及如此短的时间，但使用这种外部时间尺度可能会产生伪影，”迪尔（Dil）说。“这个挑战可以通过基于累积相位和时间之间联系的量子干涉方法来解决。”

一种无需时钟测量时间的新方法
迪尔和他的团队现在开发了一种完全避免使用外部时钟的方法。当电子吸收光子并从材料中发射出来时，它们携带的信息会编码在自旋中。这种自旋会随着量子跃迁的展开而发生变化。研究人员通过仔细分析这些变化，能够确定跃迁持续的时间。

正如该研究的第一作者郭飞（Fei Guo）所解释的：“这些实验不需要外部参考或时钟，就能得出电子波函数在吸收光子后从初始状态演化到更高能量终态所需的时间尺度。”

量子干涉如何揭示持续时间
当光激发电子时，这个过程并非遵循单一路径。多个量子路径可能同时存在，并且它们会相互干涉。这种干涉会在发射电子的自旋中留下清晰的特征。通过观察随着电子能量变化，这种自旋模式如何改变，研究团队能够计算出跃迁所花费的时间。

为了进行这些测量，研究人员使用了一种称为“自旋和角分辨光电子能谱”（SARPES）的方法。在这种技术中，强烈的同步辐射光照射材料，将材料中的电子提升到更高的能量，并迫使它们逃离材料结构。然后科学家测量发射电子的能量、方向和自旋。

原子结构如何影响量子时间
研究团队测试了具有非常不同原子排列的材料。有些是完全三维的，比如普通的铜。其他材料，包括二硒化钛（TiSe₂）和二碲化钛（TiTe₂），由连接较弱的层组成，其行为更像扁平的薄片。碲化铜（CuTe）具有更简单的链状原子结构。这些差异使这些材料成为研究几何形状如何影响时间的理想选择。

结果揭示了一个一致的规律：材料的原子结构越简单、越简化，量子跃迁持续的时间就越长。在三维结构的铜中，跃迁速度极快，大约需要26阿秒。

在层状材料TiSe₂和TiTe₂中，相同的过程减慢到140至175阿秒之间。在具有链状结构的CuTe中，跃迁时间超过了200阿秒。这些发现表明，材料的原子尺度形状强烈影响量子事件的展开速度，对称性较低的结构会导致更长的跃迁时间。

这对理解量子时间意味着什么
“除了为理解光电子发射中的时间延迟决定因素提供基础信息外，我们的实验结果还进一步揭示了哪些因素会影响量子层面的时间，量子跃迁在多大程度上可以被认为是瞬时的，并可能为最终理解时间在量子力学中的作用铺平道路，”迪尔解释道。

除了加深我们对量子物理学中时间的理解外，这项工作还提供了一种研究复杂材料中电子行为的新工具。了解量子跃迁持续的时间可以帮助科学家设计具有定制量子特性的材料，并支持依赖于量子态精确控制的未来技术。