近日，德國馬克斯—玻恩非線性光學與短脈沖光譜學研究所（MBI）的研究人員與國際伙伴一起研發(fā)了一個試驗裝置，首次可以準確確定電子從隧道效應障礙物中出來的時間點。該研究為原子和分子中的“多電子重排”在空間和時間上的直接分辨提供了一個普遍方法。相關(guān)研究發(fā)表在《自然》雜志上。

在神奇的量子世界里原子和分子不再適用經(jīng)典的物理規(guī)律。在這里，電子可以克服能壘，盡管他們沒有必要的能量，這就是所謂的“隧穿效應”。直接測量量子世界里的進程是非常困難的，尤其當他們時間尺度特別短的時候。因此，MBI的研究人員與來自以色列、加拿大和英國的同事一起研發(fā)了一個試驗裝置，讓各種物理量的大小可以在比飛秒還短的時間尺度內(nèi)變化。通過測量和計算的比較，科學家獲得了一個量子時鐘，從而能夠以阿秒的精度確定發(fā)生電子隧穿的時刻。

研究人員先用一個強激光場誘導來自氦原子的電子隧道效應，再用一個較弱的探測激光場將發(fā)生隧道效應的電子引到側(cè)向進行研究。這其中帶正電的原子核的吸引力就表現(xiàn)為需要克服的能壘，而緩慢振蕩并垂直照射隧穿電子的弱激光場則可以讓電子像被橡皮筋牽引一樣向原子核運動。當電子與原子核接近時會出現(xiàn)光閃爍的特性，這就是所謂的高次諧波。通過測量這些高次諧波的頻率、偏轉(zhuǎn)電子飛行路徑的長度和偏轉(zhuǎn)激光場的屬性，研究人員就可以最終計算出電子跨越能壘的準確時間點。

MBI的奧爾加•斯米爾諾娃博士用一個簡單的比喻來解釋她們是如何得到電子隧穿時間點的。她說：“當你從一家咖啡店出來走向?qū)γ娴墓�共汽車站，弱激光場就像左右交替吹的風，把你往路旁推。當我們知道了風的特點，即有多大、如何改變方向，我們就能說出你走出門口的時間。”

現(xiàn)在，研究人員繼續(xù)用二氧化碳分子來進行類似的實驗。相對于只有兩個電子的氦，二氧化碳分子有20個電子。它們可能會停在不同的軌道，隧穿的電子根據(jù)所處軌道的不同會有一個很小的時間延遲。這個實驗首次給了物理學家確認隧穿電子源頭的機會。