物理学家首次瞥见“量子幽灵” 艺术家对半导体中的电子被激

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艺术家对半导体中的电子被激光脉冲加速和激励的印象。在这个过程的最后，电子释放一束携带量子波函数信息的光。（图片来源：BRIAN LONG）
波函数是一种用于预测量子粒子行为的抽象概念，它是物理学家理解量子力学的基础。但物理学家无论是在字面上，还是在哲学上，都不能完美地把握这一概念本身。他们不能将波函数拿在手里或放在显微镜下。令人困惑的是，波函数的一些属性似乎根本就不真实。事实上，数学家会公开称波函数为虚数，所谓的虚数是充分证明波函数能预测现实世界实验结果的一个重要组成部分，它产生于一些看似荒谬的壮举，比如取负整数的平方根等。简而言之，如果一个波函数可以被说是“存在的” ，那么它就处于形而上学的数学和物理实在性之间模糊的交叉点。

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（图片来源: Alexandre Gondran Wikimedia/CC BY-SA 4.0）
【物理学家首次瞥见“量子幽灵”】现在，加州大学圣巴巴拉分校（U.C.S.B.）的研究人员和他们的同事在将这两个领域联系起来的方面取得了巨大进展：他们第一次通过测量半导体材料对超快光脉冲的反应，重建了波函数。该成果近期发表在《自然》杂志（Nature）上，这可能有助于进入精确理解和精确控制电子工程和量子材料设计方面创新的新时代。
对于现实世界的应用，比如现代电子学，有了这个神秘的波函数，物理学家就能找到很多信息，比如新设备里究竟发生了什么。为了预测电子在物质内部的移动速度以及电子携带的能量，物理学家必须从布洛赫波函数开始计算。布洛赫波函数是以1929年发明它的物理学家Felix Bloch命名的。这项研究的共同第一作者，来自U.C.S.B.物理系的学生Joe Costello说，布洛赫波函数对工程量子器件尤其重要。他强调说：“如果你正在思考制造任何一种利用量子力学的设备，你需要很好地掌握波函数的参数。”
这包括波函数的相位，所谓的相位是一个虚数参数，但它对于设计量子计算机是至关重要的。来自密歇根大学的物理学家Mackillo Kira没有直接参与这项研究但阅读了这项研究的早期草稿，他说， “长期以来，人们用电子能量来描述波函数的特征，这是所有电子学的基础。但现在随着量子信息技术的发展，下一个阶段要有所超越，最终要得到这些波函数的相位。”
为了达到这样一个新的水平，该团队使用了两种激光器和半导体材料砷化镓。他们的实验包括三个步骤：首先，他们用近红外激光脉冲撞击半导体材料内部的电子。这样电子就获得了额外的能量，它们开始快速地穿过半导体材料。当一个带负电荷的电子开始移动时，一个空穴也随之移动，空穴是类似于电子的阴影粒子，它与电子相同，但带的是正电荷。接下来，研究人员使用另一个激光脉冲将空穴和电子分开，之后让它们迅速重新结合。这就像是量子版本的彼得·潘（Peter Pan）失去他的影子后，影子又重新附着到他身上。当空穴和电子重新结合时，它们单独移动所积累的额外能量会以光的形式释放出来。