科学家首次观测到从量子通道“逃离”出的电子

德国科学家在最新一期英国《自然》杂志上发表论文介绍说，他们最近首次测量到通过量子通道“逃离”原子的电子，而且发现每个电子“逃离”的速度极为惊人。

电子带负电荷，在带正电荷的原子核的吸引下被束缚在原子内部。就经典物理学而言，如果电子没有在一段时间内获得足够的能量，它就无法“逃离”原子核的束缚。但量子力学可以提供另一种方法，电子可以直接通过量子通道逃脱出来。科学家比喻说，这好比站在一座山前的人们需要到达山的另外一边，通常情况下只能翻越山岭，但量子世界里还有另外一种可能，即通过“隧道”直接抵达山的另一边。

量子通道在微观世界普遍存在，但这一现象迄今仍未被观测到，原因是原子在失去电子后迅速从外界环境又找回新的电子进行补充，其过程过于短暂，任何传统方法都无法测量。不过，近年来光学研究的进步，为观测这一现象提供了有力工具。

德国马克斯·普朗克量子光学研究所的弗伦克·克劳兹介绍说，光学研究已经迈进了阿秒(1阿秒为百亿亿分之一秒)领域，这为测量电子通过量子通道“逃离”提供了方法。

克劳兹领导的研究人员用两种精心设计成同步的阿秒级激光脉冲——紫外线脉冲和红外线脉冲——攻击氖原子，紫外线脉冲通过提升电子能量为电子“逃离”氖原子做好准备，但这一能量不足以使电子按照经典物理学描述的方式脱离原子。然后研究人员在红外线脉冲中设计3个峰值，以抵消来自原子核的吸力，这就给电子提供了3个“逃离窗口”。不过，由于所选用的脉冲是阿秒级的，因此“逃离窗口”开启时间非常短暂，只有通过量子通道的电子才有可能成功“逃离”。

结果发现，在这3个“逃离窗口”都能够测量到从原子“逃离”出来的自由电子，这就证明了单个电子可以在极短的时间内实现“逃离”，也进一步证明量子通道确实存在。