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同时有两条路径:观察量子叠加的积累

2019-05-28

  它绝对是量子物理学中最着名的实验:在双缝实验中,粒子被射到具有两个平行狭缝的板上,因此有两个不同的路径,粒子可以在另一侧到达探测器。由于其量子特性,粒子不必在这两种可能性之间进行选择,它可以同时穿过两个狭缝。当用激光束电离氦原子时,可以观察到非常相似的东西。

  就像通过板的两条路径一样,氦的电离可以通过两个不同的过程同时发生,这导致特征性的干扰效应。在氦原子的情况下,它们被称为“Fano共振”。来自TU Wien(奥地利维也纳),海德堡(德国)Max-Planck核物理研究所和堪萨斯州立大学(美国)的科学家团队现在已经设法观察到这些Fano共振的积累 - 尽管这效果发生在飞秒的时间尺度上。

  该实验在海德堡进行,这项实验和计算机模拟的最初提议由维也纳团队开发,其他理论计算来自堪萨斯州立大学。

  直接和间接路径

  当激光脉冲将足够的能量传递给氦原子中的一个电子时,电子就会立即从原子中撕裂出来。

  然而,正如JoachimBurgdrfer教授(TU Wien)所解释的那样,有一种电离氦原子的方法有点复杂,“如果起初激光将两个电子提升到一个更高能量的状态,其中一个电子可能会返回到较低能量的状态,部分电子的能量会转移到第二个电子,然后离开氦原子。“

  这两个过程的结果完全相同 - 都将中性氦原子转变成一个剩余电子的离子。从这个角度来看,它们从根本上是难以区分的。

  法诺共鸣

  “根据量子物理定律,每个原子可以同时进行两个过程,”Renate Pazourek(TU Wien)说。“这种路径组合给我们留下了可以检测到的特征痕迹。” 分析氦原子吸收的光,发现所谓的法诺共振 - 这是一个明确无误的信号,表明最终状态是通过两条不同的路径达到的。

  这也可以防止。在电离过程中,可以用第二激光束有效地关闭间接路径,使得仅另一条路径保持打开并且Fano共振消失。

  这为研究这一过程的时间演变开辟了新的可能性。首先,允许原子同时跟随两个路径。一段时间后,间接路径被阻止。根据允许系统访问两条路径的时间长短,Fano共振变得或多或少变得明显。

  “在各种各样的物理系统中都观察到了Fano共振,它们在原子物理学中起着重要作用,”Stefan Donsa(TU Wien)说。“这是第一次,现在可以控制这些共振,并精确地显示它们在飞秒内如何形成。” “这些量子效应如此之快,以至于在我们通常的时间尺度上,它们似乎瞬间发生,从一个时刻到下一个时刻,”Stefan Nagele说。“只有采用新的复杂的阿秒物理方法,才有可能研究这些过程的时间演变。”

  这不仅有助于量子科学家理解重要量子效应的基本理论,而且还开辟了控制这些过程的新可能性 - 例如促进或抑制化学反应。

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