一束激光脈衝擊中了沉積在鎢表面的碘原子。鎢原子和碘原子同時失去電子，該量子躍遷過程可被精確測量。
當光照射在某些材料上時，電子就會從表面釋放出來——這是量子物理學中最重要的實驗之一。愛因斯坦在1905年首次解釋了這種現象，當時他提出了“光量子”概念（今天我們稱之為光子的最小單位）。材料中的一個電子吸收一個光子，“跳躍”到另一個狀態，離開表面。這種“光電效應”持續時間極短，以至於到目前為止，科學界仍認為它是瞬時的。不過日前，維也納科技大學的一個研究團隊聯合加興、慕尼黑和柏林的研究人員一起，測定了鎢表面光電效應的持續時間，並於9月19日將研究結果發表在了《自然》雜誌上。
光電效應在許多技術領域起著重要的作用，例如太陽能電池或光纜數據轉換領域。它發生在阿託秒（十億分之一秒）範圍內的時間尺度上。維也納科技大學理論物理研究所的教授Joachim Burgdorfer解釋說:“近年來，在超短激光脈衝的幫助下，人們首次瞭解到這種效應的發生時間。我們能夠確定不同量子躍遷之間的時間間隔，並表明不同的量子躍遷需要不同的時間量。”然而，在這之前，科研人員只能確定時間差異，而不能確定絕對持續時間，因為很難找到一個能在量子躍遷開始時就準確計時的標準“時鐘”。但通過實際實驗、計算機模擬和理論計算的結合，研究人員把它變成了現實。
為了做到這一點，科學家們步步為營:為了有一個絕對的、精確校準的參考尺度，他們首先研究了氦原子被激光脈衝撕裂時產生的電子。“氦原子非常簡單。在這種情況下，我們可以精確地計算出光發射的時間演化。但對於更復雜的物體，比如金屬表面，即使有世界上最好的超級計算機，也不可能做到。”Christoph Lemell教授解釋說。
氦原子隨後被用作參考“時鐘”。在第二個實驗中，研究人員比較了氦和碘的光發射時間，從而校準了“碘鍾”。最後，研究人員就可以使用碘原子來研究鎢表面電子的光發射——這也就是研究小組想要測量的效應。
研究人員將碘原子沉積在鎢表面，然後用超短激光脈衝擊中鎢。現在碘原子作為一個參考時鐘，用它便可以確定鎢表面光電效應的時間了。實驗表明，該光電效應過程的持續時間取決於電子的初始狀態，持續範圍在45~100阿託秒之間。這些測量是在德國加興的馬克斯·普朗克量子光學研究所進行的。
當然，這個研究項目的目標不僅僅是測量量子效應的持續時間。“這是一個令人興奮的研究領域，它提供了非凡的新見解——例如對錶面物理學，以及對材料內部電子傳遞過程的研究。它讓我們以一種難以想象的精確度來研究重要的物理過程。”Joachim Burgdörfer說道。
編譯：Coke 審稿：西莫 責編：張夢
原文鏈接：https://www.sciencedaily.com/releases/2018/09/180919133304.htm
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