物理学家揭示控制量子时间速度的因素

时间可能感觉平滑而连续，但在量子层面上，它的表现却截然不同。物理学家现在找到了一种方法，可以在不依赖任何外部时钟的情况下，测量超快量子事件实际持续的时间。通过追踪电子在吸收光能并脱离材料时的细微变化，研究人员发现这些跃迁过程并非瞬时完成，且其持续时间在很大程度上取决于所涉及材料的原子结构。

在最小的尺度上，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态这样的事件，仅在几十阿秒（10^-18 秒）内就能发生。这个时间间隔如此之短，以至于即使光在这段时间内也无法穿越一个小型病毒的宽度。

为何测量量子时间如此困难

追踪如此微小的时间片段已被证明极具挑战性。任何外部计时装置都可能干扰正在研究的脆弱量子过程，并改变其行为。Dil 说："尽管 2023 年诺贝尔物理学奖表明我们可以触及如此短的时间，但使用这种外部时间尺度可能会引入人为误差。基于累积相位与时间之间的联系，使用量子干涉方法可以解决这一挑战。"

Dil 和他的团队现在开发出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，它们携带着编码在其自旋中的信息。这种自旋会根据量子跃迁如何展开而发生变化。通过仔细分析这些变化，研究人员能够确定跃迁持续的时间。

该研究的第一作者 Fei Guo 解释说："这些实验不需要外部参照或时钟，就能得出电子波函数在吸收光子后，从初始态演化到更高能量终态所需的时间尺度。"

当光激发电子时，该过程并非遵循单一途径。多种量子路径可能同时存在，并且它们相互干涉。这种干涉在发射电子的自旋中留下了清晰的印记。通过检查这种自旋模式随电子能量变化的方式，研究小组可以计算出跃迁所用的时间。

为了进行这些测量，研究人员使用了一种称为"自旋和角度分辨光电子能谱"（SARPES）的方法。在这种技术中，强烈的同步加速器光照射到材料上，将其电子提升到更高能量并迫使它们脱离材料结构。然后，科学家测量发射电子的能量、方向和自旋。

该团队测试了具有截然不同原子排列的材料。有些是完全三维的，例如普通铜。其他材料，包括二硒化钛（TiSe₂）和二碲化钛（TiTe₂），则由弱连接层构成，行为更像平坦的薄片。碲化铜（CuTe）具有更简单的链状原子结构。这些差异使得这些材料成为研究几何结构如何影响计时的理想选择。

结果揭示了一致的模式。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。在三维的铜中，跃迁非常快，大约需要 26 阿秒。

在层状材料 TiSe₂ 和 TiTe₂ 中，相同过程减慢到 140 到 175 阿秒之间。在具有链状结构的 CuTe 中，跃迁超过了 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发生的速度，对称性较低的结构会导致更长的跃迁时间。

Dil 解释道："除了提供基础信息以理解光电子发射中时间延迟的决定因素外，我们的实验结果还进一步揭示了哪些因素在量子层面影响时间，量子跃迁在多大程度上可被视为瞬时发生，并可能为最终理解时间在量子力学中的作用铺平道路。"

除了加深我们对量子物理学中时间的理解外，这项工作还为研究电子在复杂材料中的行为提供了新工具。了解量子跃迁持续多长时间可以帮助科学家设计具有定制量子特性的材料，并为依赖于精确控制量子态的未来技术提供支持。