科學家首度揭開電子量子世界的神秘面紗

一項革命性的新技術終於讓我們得以一窺電子的完整量子特性，這項突破性的發現將為材料科學與量子應用領域帶來深遠的影響。瑞典隆德大學的研究團隊開發出一種全新的測量方法，首次成功測量了原子吸收高能光脈衝後釋放出的電子的量子態。這項研究成果讓我們對光與物質的互動作用有了更深入的理解。

當極紫外線或X射線範圍內的高能光與原子或分子相互作用時，會透過光電效應將電子擊出。科學家可以透過測量被擊出的電子及其動能，獲得有關暴露於光線下的原子的寶貴資訊。這項原理構成了光電子能譜學的基礎。

被釋放的電子，即光電子，通常被視為簡單的粒子。然而，它實際上是一個必須用量子力學原理來描述的量子物體。在如此微小的尺度下，電子的行為與日常物體截然不同——它們同時表現出粒子和波動的特性，需要特殊的量子規則來完整描述其行為。

「透過測量光電子的量子態，我們的技術能夠精確地回答『電子有多量子』這個問題。這與醫學上用於大腦成像的CT掃描原理相同：我們透過從多個不同角度拍攝的2D影象來重建複雜的3D物體，」該研究的作者之一、原子物理學副教授David Busto解釋道。這項研究已發表在《自然光子學》期刊上。

這項技術首次讓我們能夠測量從氦和氬原子發射出的電子的量子態，證明瞭光電子量子態取決於其發射材料的型別。關鍵在於利用超短高能光脈衝使原子電離，產生相當於待測3D物體的光電子量子態，然後使用不同顏色的鐳射脈衝拍攝2D影象，並逐片重建量子態。

光電效應由愛因斯坦在一個多世紀前解釋，為量子力學的發展奠定了基礎。Kai Siegbahn隨後利用這一現象研究電子在原子、分子和固體中的排列方式。如今，在Kai Siegbahn因光電子能譜學獲得諾貝爾獎40多年後，終於出現了一種能夠完整描述發射光電子量子特性的方法，擴充套件了光電子能譜學的潛力。

這項新技術不僅能提供傳統光電子能譜學無法獲得的量子資訊，還將有助於解開電子被擊出後材料中發生的過程。未來，這項技術可用於研究分子氣體、液體和固體，其中光電子的量子特性可以提供大量有關電離目標在突然失去電子後如何反應的資訊。

這項工作還將阿秒科學和光譜學（諾貝爾獎得主Anne L'Huillier的研究領域）與量子資訊和量子技術這兩個不同的科學領域聯絡起來。它與正在進行的第二次量子革命相關，旨在操縱單個量子物體（在本例中為光電子）以充分利用其量子特性進行各種應用。

這項名為KRAKEN的新實驗測量技術，雖然不會直接導致新型量子計算機的建造，但透過提供有關光電子量子態的知識，將使物理學家能夠充分開發其量子特性，為未來的應用鋪平道路。

在微觀尺度上，電子、原子和分子是量子力學描述的物件，而在宏觀尺度上，我們日常生活中的物體遵循經典物理學的定律。當我們將許多量子物體靠近時，它們會以不受控制的方式相互影響，從而有效地抵消其個體量子特性。這個過程被稱為退相干，是開發量子技術（如量子計算機）必須克服的關鍵挑戰之一。

未來，我們希望這項技術能夠讓我們追蹤電子的量子特性如何隨著時間從量子態演變為經典態。這項突破性的研究不僅為我們揭開了電子量子世界的神秘面紗，更為未來的科學探索開啟了無限可能。