研究人员首次将卡皮查-迪拉克效应可视化
卡皮查-狄拉克（Kapitza-Dirac）效应用于显示电子波的时间演变。这是科学史上最大的惊喜之一： 在大约 100 年前的量子物理学早期，学者们发现，构成我们物质的粒子总是表现得像波一样。正如光可以在双缝中散射并产生散射图案一样，电子也可以显示干涉效应。1933 年，两位理论家 Piotr Kapitza 和 Paul Dirac 证明，电子束甚至会从静止的光波中衍射出来（由于粒子的特性），因此波的特性会产生干涉效应。
超快卡皮查-狄拉克（Kapitza-Dirac）效应产生的随时间变化的干涉条纹。一个电子波包暴露在两个反向传播的超短激光脉冲下。从背面到正面的时间跨度为 10 皮秒。
由法兰克福歌德大学的莱因哈特-多尔纳（Reinhard Dörner）教授领导的中德研究小组成功地利用这种卡皮查-狄拉克效应将电子波的时间演变（即电子的量子力学相位）可视化。研究人员现已在《科学》杂志上发表了他们的研究成果。
多尔纳说："最初建造实验装置的是我们研究所的前博士研究员亚历山大-哈同（Alexander Hartung）。他离开后，在法兰克福团队工作了4年的亚历山大-冯-洪堡研究员康林得以利用它来测量随时间变化的卡皮查-迪拉克效应。要做到这一点，还需要进一步发展理论描述，因为当时卡皮查和狄拉克并没有具体考虑电子相的时间演化。"
在实验中，法兰克福的科学家们首先从相反的方向向氙气发射了两个超短激光脉冲。在交叉点上，这些飞秒脉冲--飞秒是一秒的四千万亿分之一--产生了几分之一秒的超强光场。这将电子从氙原子中撕裂出来，即电离了氙原子。不久之后，物理学家又向以这种方式释放出来的电子发射了第二对短激光脉冲，也在中心形成了驻波。这些脉冲稍微弱一些，没有引起任何进一步的电离。不过，它们现在能够与自由电子相互作用，可以借助法兰克福开发的 COLTRIMS 反应显微镜进行观察。
COLTRIMS 团队，Reinhard Dörner（从左至右）、Markus Schöffler、Sina Jacob、Maksim Kunitski、Till Jahnke、Alexander Hartung、Sebastian Eckart。资料来源：歌德大学
"在相互作用点，有三种情况可能发生，"Dörner 说。"要么电子不与光线发生相互作用，要么光线向左或向右散射。根据量子物理定律，这三种可能性加起来就是一定的概率，反映在电子的波函数中： 可以说，电子（以一定概率）可能所在的云状空间坍缩成了三维切片。在这里，波函数的时间演变及其相位取决于电离与第二对激光脉冲撞击之间的时间间隔。"
"这为量子物理学带来了许多令人兴奋的应用。希望它能帮助我们追踪电子如何在最短的时间内从量子粒子转变为完全正常的粒子。我们已经计划利用它来进一步了解不同粒子之间的纠缠，爱因斯坦称之为'幽灵'，"Dörner 说。就像科学界经常做的那样，对早已确立的理论进行一次又一次的测试在这里也是值得的。
编译自/scitechdaily
