電子動態電影   揭開量子力學的心跳 

編譯/高晟鈞

電子是物理世界中最簡單卻也最重要的基本粒子之一、但由於觀測不易,長時間對於電子相位的觀測一直停留在理論階段。法蘭克福哥德大學的一項研究顯示,通過拍攝電子束在不同時刻穿過駐波光波所產生的衍射條紋,實現超短時間電子動力學的直接觀測,為開啟量子物理學眾多應用奠定了扎實基礎。

研究顯示,通過拍攝電子束在不同時刻穿過駐波光波所產生的衍射條紋,實現超短時間電子動力學的直接觀測。圖取自ScitechDaily

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卡皮查-狄拉克效應

國中物理學課本中的雙狹縫實驗完美地解釋了光的波粒二象性。在古典物理學中,波在穿過狹縫、小孔或源盤等障礙物時,會發生不同程度的彎散傳播,在最終的觀測屏上呈現一種明暗相間的圖案。這種波遇到障礙物時偏離原來直線傳播的物理現象便稱為繞射(衍射)。

而物理學家卡皮查(Kapitza)與狄拉克(Dirac)在1933年提出一理論:當電子束穿過一持續性駐波光場時,同樣會產生衍射,這種現象被稱為卡皮查-狄拉克效應。然而受限於觀測技術,這一現象直到2001年才被美國科學家首次驗證。

效應視覺化

研究團隊先朝著中性原子發射了一對交叉的飛秒脈衝,交叉點會形成一強烈電場,電離中性原子(氙)產生電子束,緊接著朝著電子束發射一束延遲的短雷射脈衝,衍射該電子束。簡單來說,觀測對象從持續的電子束轉變為了電子脈衝;同時,觀測手段從持續的光子駐波轉換為光子脈衝形成的瞬時駐波。

舉例來說,電子脈衝就像是拍戲的演員,光子駐波的每一次脈衝相當於對演員按下了一次「快門」;多次脈衝就相當於進行了「連拍」,對演員的動作進行了記錄,得到了多組切割成短時間的連續性畫面,實現電子動態的直接觀測。

記錄量子力學的心跳

這項研究將開啟量子力學的許多應用,幫助科學家追蹤電子如何在最短的時間從量子粒子轉變為正常的粒子,對於進一步探索如「幽靈」般的量子糾纏現象有著積極幫助。

資料來源:ScitechDaily

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