德國物理學家創造三維光場以探索電子量子態

某些電子的量子態之所以未能被探測到，並非因為它們不存在，而是科學家缺乏合適的光來接觸到它們。現時，德國的物理學家創造了一種不尋常的三維光場，通過使兩個超短鐳射脈衝從不同方向相遇，並利用此光場接觸那些難以捉摸的量子態。「我們的方法能夠生成先前僅在理論上描述的電子量子態，並使其在空間中可見。」研究作者之一及奧爾登堡大學教授馬提亞斯·沃倫豪普表示。這項成就可能為科學家提供了一種新方法，以控制光與物質的相互作用，研究極其快速的量子過程，並最終區分鏡像分子。

研究團隊首先使用持續約 20 飛秒的鐳射脈衝。飛秒是十億分之一秒的百萬分之一，因此這些脈衝幾乎在光有時間移動幾微米之前就已經結束。他們對這些脈衝進行了形狀調整，並將其分成兩種不同的顏色。一個脈衝較紅，波長約為 929 奈米，另一個則較藍，波長約為 720 奈米。隨後，他們將這兩個脈衝從不同方向發送到同一點。當脈衝以 45 度的角度相遇時，它們的電場以一種方式結合，使得生成的光場在三個空間方向上都振盪。

研究人員通過改變兩個脈衝的偏振來控制其形狀。這一點非常重要，因為普通的鐳射場並不提供相同的自由度。它們的電場通常被限制在一個平面內，這限制了它們推動和操縱電子的方式。

三維光場的實驗應用

沃倫豪普補充道：「我們因此擴展了實驗光學工具包，加入了一個新的三維光場類別。」團隊在鉀原子上測試了其方法。他們利用三維光場將電子推入更高能態，然後將一些電子從原子中擊出。研究人員隨後可以檢查釋放的電子，以瞭解它們所佔據的量子態。與簡單檢測電子是否已經移動到更高能量水平不同，該實驗允許他們觀察其量子態在空間中的分佈。他們還將該設置轉變為一個超快成像系統。通過改變鐳射脈衝之間的時間間隔，他們捕捉到電子態演變的連續快照。

生成的序列類似於製作一部非常快速的電影。每個快照顯示電子分佈在略微不同的時刻，讓研究人員能夠跟隨在極短時間尺度上發生的量子運動。

手性分子的潛在影響

這項實驗顯示，三維光場能夠創造傳統光場無法輕易產生的電子態。這一點至關重要，因為科學家長期以來依賴光的形狀和方向來控制可達到的量子態。這種為光賦予第三維度的技術最終可能在個別原子之外具有更廣泛的應用。一個特別有前景的應用涉及手性分子——這些分子有兩種鏡像版本，類似於人的左右手。許多對生物學和醫學重要的分子都是手性分子，包括氨基酸和某些藥物分子。這兩種鏡像形式可能表現出不同的行為，因此識別和區分它們至關重要。

三維光場可能提供一種新的方式來探測這些微妙的差異，因為這些場本身可以具有手性或方向性屬性。研究人員表示，他們的實驗為使用這些光場來研究分子手性奠定了重要基礎。

下一個挑戰是將這些可控的三維光場應用於日益複雜的系統，並發展更好的方法來重建生成的電子運動。如果成功，光不僅可以作為照亮或激發物質的方式，其三維形狀也可能成為引導和觀察量子行為本身的工具。該研究已發表在《物理評論研究》期刊上。

三維光場技術的潛在突破

三維光場技術的發展為探索電子量子態提供了新的可能性，尤其是在以往難以探測的領域。這項技術不僅擴展了實驗光學的工具包，還可能在手性分子研究中發揮重要作用。手性分子在生物學和醫學中扮演著關鍵角色，因此能夠準確識別和區分它們的不同形式將對相關領域帶來深遠影響。未來，隨著這項技術的進一步發展，科學家可能能夠更深入地理解量子行為及其應用。