在量子物理的奇妙世界中，粒子如電子有時能夠穿越它們通常無法跨越的能量障礙，這一現象被稱為量子隧道。這種神秘的行為對於從恆星中的核聚變到現代設備中的電子學都有著重要意義。
然而，科學家們長期以來一直在努力回答一個基本問題：這一隧道過程需要多長時間？因為這些時間尺度極其微小，發生在阿秒（十億分之一的十億秒）內。
最近的一項研究提出了一種新方法，簡化了測量過程，並最終為這一長期存在的隧道謎題帶來了清晰的解釋。
改進的阿秒時鐘技術
2008年，瑞士物理學家烏爾蘇拉·凱勒（Ursula Keller）發明了一種名為阿秒時鐘的特殊工具，試圖捕捉量子隧道過程。這些時鐘依賴於一個巧妙的想法：如果用強激光照射一個原子，它可以通過推動電子穿過量子障礙來將電子撕扯出來。
由於光具有旋轉的電場（可以想象成旋轉的電鞭），電子出來的角度可以提供有關隧道發生時間的線索。然而，這種方法並不完美。旋轉的激光場使得事情變得複雜，研究人員需要複雜的模型來解釋結果，這往往導致不可靠的結論。
韋恩州立大學的高級研究作者韋恩·李（Wen Li）表示：“阿秒時鐘是一種最近開發的技術，提供前所未有的時間分辨率（低至幾阿秒，即 10^-18 秒）。這種技術應該非常適合測量隧道時間。然而，即使經過二十年的密集工作，這個問題仍然沒有得到解答。”
研究作者提出了一種新的阿秒時鐘方法。他們設計了一種使用完美圓形光波的設置，而不是依賴於使用旋轉橢圓光束的舊方法。
更重要的是，他們專注於一個稱為載波包絡相位（CEP）的微小偏移，這是激光脈衝與其電場峰值之間的微小差異。可以想象成同步鼓點與波的起伏。
當原子被這個精確定時的激光脈衝照射時，電場強度足以通過隧道將電子拉出。通過捕捉電場達到峰值的瞬間，研究人員可以精確確定電子逃逸的確切時刻。
李表示：“與傳統的阿秒時鐘測量相比，相位解析阿秒時鐘真正跟踪電場的峰值，這是電子隧道的確切時刻。這抑制了任何非時間依賴因素對結果的扭曲。”因此，這種新方法比舊技術更為可靠。
測量量子隧道的必要性
當團隊進行實驗以測試他們的方法時，發現電子在隧道過程中似乎沒有停頓或卡住。事實上，延遲小到幾乎不存在。
此外，真正決定電子逃逸的因素並不是它在隧道中的時間，而是原子最初對電子的束縛強度。這挑戰了量子物理中的一些傳統觀念，並可能改變我們對原子和分子中超快過程的建模方式。
研究作者進一步建議，他們的相位解析阿秒時鐘方法穩定且精確，足以適應實時化學分析。因此，它可能為科學家提供觀察反應的方式，這將改變藥物開發、納米技術甚至量子計算等領域。
李補充道：“由於這種技術的穩健性，我們目前正在努力將其開發成光譜學方法，以便用於實時研究化學。”
然而，仍然存在一些微小、幾乎無法察覺的延遲需要探索，為了捕捉這些，團隊計劃開發一種下一代工具——zepto時鐘，能夠測量低至zeptoseconds（比阿秒短一千倍）的時間。
該研究發表在《物理評論快報》期刊上。
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