法兰克福歌德大学的研究人员可视化电子波中的量子效应
法兰克福。这是科学史上最大的惊喜之一：大约 100 年前，在量子物理学的早期，学者们发现构成我们物质的粒子总是表现得像波。正如光可以在双缝处散射并产生散射图案一样，电子也可以表现出干涉效应。 1933 年，两位理论家 Piotr Kapitza 和 Paul Dirac 证明，电子束甚至可以从驻波光波中衍射(由于粒子的特性)，并且波特性导致的干涉效应是可以预料的。
由法兰克福歌德大学 Reinhard Dörner 教授领导的德中团队成功地利用这种卡皮查-狄拉克效应来可视化电子波的时间演化，即电子的量子力学相位。研究人员现已在《科学》杂志上发表了他们的研究结果。
“最初建造实验装置的是我们研究所的前博士研究员 Alexander Hartung，”Dörner 说。 “他离开后，在法兰克福队工作了 4 年的亚历山大·冯·洪堡研究员康林能够用它来测量依赖于时间的卡皮查-狄拉克效应。”为此，还需要进一步发展理论描述，因为卡皮查和狄拉克当时没有专门考虑电子相的时间演化。
在他们的实验中，法兰克福的科学家首先从相反的方向向氙气发射两个超短激光脉冲。在交叉点，这些飞秒脉冲(飞秒是万亿分之一秒(十亿分之一的百万分之一))在几分之一秒内产生了超强光场。这将电子从氙原子中分离出来，即电离了它们。不久之后，物理学家向以这种方式释放的电子发射了第二对短激光脉冲，这些电子也在中心形成了驻波。这些脉冲稍弱，不会引起任何进一步的电离。然而，它们现在能够与自由电子相互作用，这可以借助法兰克福开发的 COLTRIMS 反应显微镜进行观察。
“在互动时，可能会发生三件事，”多纳说。 “电子要么不与光相互作用，要么向左或向右散射。”根据量子物理定律，这三种可能性加在一起就形成了一定的概率，反映在电子的波函数中：电子以一定的概率可能在云状空间中塌缩，可以说，分成三维切片。这里，波函数及其相位的时间演化取决于电离和第二对激光脉冲撞击时刻之间经过的时间。
“这为量子物理学开辟了许多令人兴奋的应用。希望它能帮助我们追踪电子如何在最短的时间内从量子粒子转变为完全正常的粒子。我们已经计划用它来更多地了解不同粒子之间的纠缠，爱因斯坦称之为“幽灵般的”，”多纳说。正如科学领域经常发生的那样，一次又一次地检验历史悠久的理论也是值得的。
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