量子时间的测量：摆脱时钟的全新方法
“时间概念已经困扰哲学家和物理学家数千年，量子力学的出现并未简化这个问题”，EPFL 物理学家胡戈·迪尔（Professor Hugo Dil）说。“核心问题是时间在量子力学中的普遍作用，尤其是与量子跃迁相关的时间尺度。”
在最小尺度上，物理过程以惊人的速度展开隧穿（tunneling）或电子在吸收光子后跃迁到新能态等事件，往往只需几十阿秒（10⁻¹⁸ 秒）即可完成。这个时间间隔如此之短，甚至连光子也无法在此期间穿过一个小病毒的宽度。
跟踪如此细微的时间片段被证明极具挑战性。任何外部计时装置都可能干扰正在研究的脆弱量子过程，从而改变其行为。
“尽管 2023 年的诺贝尔物理学奖显示我们能够访问如此短的时间尺度，但使用外部时间标尺有诱发伪影的风险，”迪尔说。“这一挑战可以通过使用基于累积相位与时间关系的量子干涉方法来解决。”
一种不需要外部时钟的全新测量方法迪尔及其团队现在已开发出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逸出时，它们携带着编码在自旋中的信息。该自旋会根据量子跃迁的展开方式而变化。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。
作为该研究的第一作者，郭飞（Fei Guo）解释道：“这些实验不需要外部参考或时钟，而能给出电子在吸收光子后从初始态演变到更高能量最终态所需的时间尺度。”
量子干涉如何揭示时长当光激发电子时，过程并不遵循单一路径。多条量子路径可能同时存在，并相互干涉。干涉在逸出电子的自旋中留下了清晰的标记。通过观察自旋模式随电子能量变化的变化，团队即可计算出跃迁所需的时间。
为完成这些测量，研究人员采用了“自旋与角度分辨光电子能谱”（Spin- and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy，简称 SARPES）。在该技术中，强同步辐射光照射材料，将其电子激发至更高能量并迫使它们逃逸材料结构。科学家随后测量逸出电子的能量、方向和自旋。
原子结构如何影响量子计时团队测试了具有截然不同原子排布的材料。一些是完全三维的，如普通铜。另一些，如二硒化钛（TiSe₂）和二碲化钛（TiTe₂），由弱连接的层组成，更像平面片状。铜碲化物（CuTe）则拥有更简单、链状的原子结构。这些对比使得这些材料成为研究几何如何影响时间的理想对象。
结果揭示出一致的模式：原子结构越简单、越简化，量子跃迁持续的时间越长。在三维铜中，跃迁极快，约为 26 阿秒。
在层状材料 TiSe₂ 和 TiTe₂ 中，相同过程延长至 140–175 阿秒。CuTe 由于其链状结构，跃迁超过 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展开的快慢，低对称结构导致更长的跃迁时间。
这对理解量子时间意味着什么“除了为理解光电子发射中决定时间延迟的基本信息提供答案外，我们的实验结果还进一步阐明了哪些因素在量子层面影响时间，以及量子跃迁在多大程度上可以视为瞬时，并可能为最终理解量子力学中时间的作用铺平道路，”迪尔解释道。
对量子物理学及未来技术的意义除了深化我们对量子物理学中时间的理解外，这项工作还提供了一种新工具，用于研究电子在复杂材料中的行为。了解量子跃迁持续时间可帮助科学家设计具有定制量子特性的材料，并支持依赖精确控制量子态的未来技术。
勇编撰自论文"Dependence of quantum timescales on symmetry".Newton.2026相关信息，文中配图若未特别标注出处，均来源于自绘或公开图库。
