量子躍遷的快慢，取決于材料維度

時間究竟是什么、又該如何定義？這是哲學與物理學長期懸而未決的難題。量子力學的出現并沒有讓它迎刃而解，反而讓問題更顯棘手。歸根結底，關鍵在于：時間在量子力學中究竟扮演怎樣的角色——而這一核心議題之下，還分岔出一系列具體問題。其中一個重要的問題是：量子躍遷究竟發生在多短的時間尺度上。

在量子世界中，如電子通過吸收一個光子而改變其狀態等量子事件，都以快到令人難以想象的速度發生。但能量守恒意味著，這類躍遷不可能是瞬間完成的。理論上，它們應該發生在阿秒量級（10?1?秒）。

但一直以來，要通過實驗來測量如此微小的時間間隔都極具挑戰：不僅因為這些時間尺度極其短暫，還在于使用任何的外部計時工具，都有可能影響測量結果。不過，這兩個難點可以同時通過量子干涉法來解決，其關鍵依據是：量子態會積累相位，而相位的積累與時間演化有關。

在一項新的研究中，研究人員利用“光電發射”過程中逸出電子的自旋來讀取相位信息，從而推斷這次量子躍遷持續了多長時間。這些實驗不需要外部參考或時鐘，就能得到在吸收光子之后，電子的波函數從初始態演化到更高能量的最終態所需的時間尺度。

與維度/對稱性有關

在實驗中，研究人員使用了一種名為“自旋與角分辨光電發射光譜”（SARPES）的技術，在具有不同維度特征與不同關聯強度的材料中測量了量子躍遷的時間尺度。這種方法涉及到用強同步輻射光照射材料，將其中的電子推至更高能量并迫使它們逸出材料結構，隨后測量這些逸出電子的能量、方向和自旋。

其原理是這樣的：當光激發一個電子時，電子并不是只能走一條“唯一路徑”。在量子力學里，它可以同時沿著幾條不同的量子路徑演化。這些路徑會彼此干涉，而這種干涉會在逸出電子的自旋上呈現為一種特定的圖樣。通過研究這種自旋圖樣如何隨電子能量而變化，研究團隊便能計算出該量子躍遷的持續時間。

他們測試了在原子尺度上具有不同“形狀”的材料，有些材料是完全三維的，例如普通的銅；還有些材料是由彼此連接較弱的層狀結構構成的，表現得更像平坦的薄片，如二硒化鈦（TiSe?）和二碲化鈦（TiTe?）；還有呈鏈狀的結構，比如碲化銅（CuTe）。這些差異使它們非常適合用于檢驗幾何形態如何影響時間尺度。

體系的維度(更準確地說是對稱性）與量子躍遷的時間尺度之間存在直接聯系。（圖/Guo et al./Newton）

實驗結果呈現出了一個清晰的規律——材料的結構越簡單、越“降維”，量子躍遷持續的時間就越長：在三維銅中，這一躍遷極其迅速，持續約26阿秒；在兩種層狀材料TiSe?和TiTe?中，這一過程明顯變慢，時間尺度達到約140–175阿秒；而在具有鏈狀結構的CuTe中，躍遷時間的耗時則超過了200阿秒。

這意味著，材料在原子尺度上的“形狀”會顯著影響量子事件展開的快慢：對稱性更低的結構會導致更長的躍遷時間。

意義與應用

這項研究不僅幫助理解“光電發射為何會有時間延遲、由什么決定”，還進一步揭示：在量子層面，哪些因素會影響時間，以及量子躍遷在多大程度上可以被視為瞬時；這些結果構成了理解量子力學中時間問題這一“拼圖”的重要一塊。

此外，這些發現也提供了一種工具，用于探測電子在復雜材料中如何相互作用。了解一次量子躍遷持續多久，可以幫助科學家設計具有特定量子特性的材料，并改進那些依賴于精確控制量子態的未來技術。

#參考來源：

https://actu.epfl.ch/news/measuring-time-at-the-quantum-level/

https://www.cell.com/newton/fulltext/S2950-6360(25)00366-4

#圖片來源：

封面圖&首圖：lisaleo/ Pixabay