時(shí)間究竟是什么、又該如何定義？這是哲學(xué)與物理學(xué)長(zhǎng)期懸而未決的難題。量子力學(xué)的出現(xiàn)并沒(méi)有讓它迎刃而解，反而讓問(wèn)題更顯棘手。歸根結(jié)底，關(guān)鍵在于：時(shí)間在量子力學(xué)中究竟扮演怎樣的角色——而這一核心議題之下，還分岔出一系列具體問(wèn)題。其中一個(gè)重要的問(wèn)題是：量子躍遷究竟發(fā)生在多短的時(shí)間尺度上。

在量子世界中，如電子通過(guò)吸收一個(gè)光子而改變其狀態(tài)等量子事件，都以快到令人難以想象的速度發(fā)生。但能量守恒意味著，這類(lèi)躍遷不可能是瞬間完成的。理論上，它們應(yīng)該發(fā)生在阿秒量級(jí)（10?1?秒）。

但一直以來(lái)，要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量如此微小的時(shí)間間隔都極具挑戰(zhàn)：不僅因?yàn)檫@些時(shí)間尺度極其短暫，還在于使用任何的外部計(jì)時(shí)工具，都有可能影響測(cè)量結(jié)果。不過(guò)，這兩個(gè)難點(diǎn)可以同時(shí)通過(guò)量子干涉法來(lái)解決，其關(guān)鍵依據(jù)是：量子態(tài)會(huì)積累相位，而相位的積累與時(shí)間演化有關(guān)。

在一項(xiàng)新的研究中，研究人員利用“光電發(fā)射”過(guò)程中逸出電子的自旋來(lái)讀取相位信息，從而推斷這次量子躍遷持續(xù)了多長(zhǎng)時(shí)間。這些實(shí)驗(yàn)不需要外部參考或時(shí)鐘，就能得到在吸收光子之后，電子的波函數(shù)從初始態(tài)演化到更高能量的最終態(tài)所需的時(shí)間尺度。

與維度/對(duì)稱(chēng)性有關(guān)

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用了一種名為“自旋與角分辨光電發(fā)射光譜”（SARPES）的技術(shù)，在具有不同維度特征與不同關(guān)聯(lián)強(qiáng)度的材料中測(cè)量了量子躍遷的時(shí)間尺度。這種方法涉及到用強(qiáng)同步輻射光照射材料，將其中的電子推至更高能量并迫使它們逸出材料結(jié)構(gòu)，隨后測(cè)量這些逸出電子的能量、方向和自旋。

其原理是這樣的：當(dāng)光激發(fā)一個(gè)電子時(shí)，電子并不是只能走一條“唯一路徑”。在量子力學(xué)里，它可以同時(shí)沿著幾條不同的量子路徑演化。這些路徑會(huì)彼此干涉，而這種干涉會(huì)在逸出電子的自旋上呈現(xiàn)為一種特定的圖樣。通過(guò)研究這種自旋圖樣如何隨電子能量而變化，研究團(tuán)隊(duì)便能計(jì)算出該量子躍遷的持續(xù)時(shí)間。

他們測(cè)試了在原子尺度上具有不同“形狀”的材料，有些材料是完全三維的，例如普通的銅；還有些材料是由彼此連接較弱的層狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，表現(xiàn)得更像平坦的薄片，如二硒化鈦（TiSe?）和二碲化鈦（TiTe?）；還有呈鏈狀的結(jié)構(gòu)，比如碲化銅（CuTe）。這些差異使它們非常適合用于檢驗(yàn)幾何形態(tài)如何影響時(shí)間尺度。

體系的維度(更準(zhǔn)確地說(shuō)是對(duì)稱(chēng)性）與量子躍遷的時(shí)間尺度之間存在直接聯(lián)系。（圖/Guo et al./Newton）

實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)出了一個(gè)清晰的規(guī)律——材料的結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單、越“降維”，量子躍遷持續(xù)的時(shí)間就越長(zhǎng)：在三維銅中，這一躍遷極其迅速，持續(xù)約26阿秒；在兩種層狀材料TiSe?和TiTe?中，這一過(guò)程明顯變慢，時(shí)間尺度達(dá)到約140–175阿秒；而在具有鏈狀結(jié)構(gòu)的CuTe中，躍遷時(shí)間的耗時(shí)則超過(guò)了200阿秒。

這意味著，材料在原子尺度上的“形狀”會(huì)顯著影響量子事件展開(kāi)的快慢：對(duì)稱(chēng)性更低的結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)的躍遷時(shí)間。

意義與應(yīng)用

這項(xiàng)研究不僅幫助理解“光電發(fā)射為何會(huì)有時(shí)間延遲、由什么決定”，還進(jìn)一步揭示：在量子層面，哪些因素會(huì)影響時(shí)間，以及量子躍遷在多大程度上可以被視為瞬時(shí)；這些結(jié)果構(gòu)成了理解量子力學(xué)中時(shí)間問(wèn)題這一“拼圖”的重要一塊。

此外，這些發(fā)現(xiàn)也提供了一種工具，用于探測(cè)電子在復(fù)雜材料中如何相互作用。了解一次量子躍遷持續(xù)多久，可以幫助科學(xué)家設(shè)計(jì)具有特定量子特性的材料，并改進(jìn)那些依賴(lài)于精確控制量子態(tài)的未來(lái)技術(shù)。

#參考來(lái)源：

https://actu.epfl.ch/news/measuring-time-at-the-quantum-level/

https://www.cell.com/newton/fulltext/S2950-6360(25)00366-4

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：lisaleo/ Pixabay