物理学家首次瞥见“量子幽灵”( 二 ) 艺术家对半导体中的电子被激

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彼得·潘（Peter Pan）（图片来源：CC0 Public Domain）
十年前，由U.C.S.B.的Mackillo Kira所带领的物理学家团队注意到一些在能量释放过程中出现的奇怪现象：能量释放特性对首先开始粒子移动的激光脉冲特性十分敏感。Mackillo Kira和他的同事意识到，半导体材料中的电子对光的反应存在一个重要的但很大程度上仍然未知的细微差别。他回忆道， “这是一件出乎意料的事，我们决定进一步探索并开始系统地研究它。”在这项新的研究中，由该团队中的一名成员，也是这项研究的共同第一作者，博士后Qile Wu完成的计算工作，证明了这种敏感性不仅仅是一件罕见而有趣的事，它更可以用来重建半导体空穴的布洛赫波函数。
被吸收的激光和发射的闪光之间的联系体现在对偏振特性的测量中，偏振是指光波在运动过程中振荡的方向。在实验中，激光的偏振影响了移动的电子和空穴的波函数相位。在实验结束时，电子和空穴重新结合产生光，闪光的偏振由这两个波函数相位决定。由于在物理学方程中，这些相位通常是虚数而不是实数，所以Qile Wu和他的合作者将波函数相位与非常真实且可测量的光偏振联系起来，这是一个突破。没有参与这项研究的斯坦福大学物理学家Shambhu Ghimire恰恰强调了该研究的这一特点，即利用光来获取以前被视为纯数学的信息。他说：“这些基于光学的方法有时很困难或者在概念上很有挑战性，但大多数时候，它们可以提供复数波函数的虚部，而这是其他传统方法无法做到的。”此外，该团队还成功地从这些相同的对偏振特性的测量中，反向重建了整个布洛赫波函数。
Shambhu Ghimire进一步指出， U.C.S.B.研究人员使用的这种激光除了偏振特性很重要以外，还有更重要的特性。他们使用的是超快激光脉冲，用其撞击电子，时间只有万亿分之一秒。固体中的电子易于撞到原子，并不是不间断地移动，所以如果能这样快速地控制电子，对该团队进行的电子空穴分开再重新结合的操作来说，是至关重要的。否则，在任何一个特定的实验过程中，电子和空穴其中一方可能会受到原子的阻碍，从而重新结合受阻。该研究的另一位共同第一作者， Shambhu Ghimire团队的博士生Seamus O’Hara将部分的技术优势归功于团队使用了U.C.S.B.最先进的自由电子激光器设备。
不过这项工作的影响面可能会超出专业装置和简单的半导体领域。Qile Wu的理论研究表明，研究人员知道砷化镓中很少有关发射光的特性就可以实现布洛赫波函数的数学重构，而可能需要知道其他半导体材料中更完整的、也许是难以捉摸的知识才可以实现。没有参与研究的路易斯安那州立大学物理学家Mette Gaarde说：“作为一项可以做到结果非常明确的基本证明，这项工作非常有吸引力。这更意味着，你可能会利用它来了解一些更复杂的结构。”
目前该U.C.S.B.团队已经在为之后的研究制定野心勃勃的计划。展望未来，研究人员的研究兴趣在于，将他们的技术应用于电子强相互作用；或用激光激发新的材料，该材料含有比电子和空穴更奇特的粒子。Joe Costello渴望有更多的机会能够多次探索波函数的无形世界。他说， “我们正在寻找新的材料。如果大家有想要研究的半导体，我们很愿意尝试一下。”
作者：Karmela Padavic-Callaghan
翻译：曹锡悦
审校：张和持
引进来源：Scientific American