▲一束激光脉冲击中了沉积在钨表面的碘原子。钨原子和碘原子同时失去电子，该量子跃迁过程可被精确测量。
当光照射在某些材料上时，电子就会从表面释放出来——这是量子物理学中最重要的实验之一。爱因斯坦在1905年首次解释了这种现象，当时他提出了“光量子”概念（今天我们称之为光子的最小单位）。材料中的一个电子吸收一个光子，“跳跃”到另一个状态，离开表面。这种“光电效应”持续时间极短，以至于到目前为止，科学界仍认为它是瞬时的。不过日前，维也纳科技大学的一个研究团队联合加兴、慕尼黑和柏林的研究人员一起，测定了钨表面光电效应的持续时间，并于9月19日将研究结果发表在了《自然》杂志上。
光电效应在许多技术领域起着重要的作用，例如太阳能电池或光缆数据转换领域。它发生在阿托秒（十亿分之一秒）范围内的时间尺度上。维也纳科技大学理论物理研究所的教授Joachim Burgdorfer解释说:“近年来，在超短激光脉冲的帮助下，人们首次了解到这种效应的发生时间。我们能够确定不同量子跃迁之间的时间间隔，并表明不同的量子跃迁需要不同的时间量。”然而，在这之前，科研人员只能确定时间差异，而不能确定绝对持续时间，因为很难找到一个能在量子跃迁开始时就准确计时的标准“时钟”。但通过实际实验、计算机模拟和理论计算的结合，研究人员把它变成了现实。
为了做到这一点，科学家们步步为营:为了有一个绝对的、精确校准的参考尺度，他们首先研究了氦原子被激光脉冲撕裂时产生的电子。“氦原子非常简单。在这种情况下，我们可以精确地计算出光发射的时间演化。但对于更复杂的物体，比如金属表面，即使有世界上最好的超级计算机，也不可能做到。”Christoph Lemell教授解释说。
氦原子随后被用作参考“时钟”。在第二个实验中，研究人员比较了氦和碘的光发射时间，从而校准了“碘钟”。最后，研究人员就可以使用碘原子来研究钨表面电子的光发射——这也就是研究小组想要测量的效应。
研究人员将碘原子沉积在钨表面，然后用超短激光脉冲击中钨。现在碘原子作为一个参考时钟，用它便可以确定钨表面光电效应的时间了。实验表明，该光电效应过程的持续时间取决于电子的初始状态，持续范围在45~100阿托秒之间。这些测量是在德国加兴的马克斯·普朗克量子光学研究所进行的。
当然，这个研究项目的目标不仅仅是测量量子效应的持续时间。“这是一个令人兴奋的研究领域，它提供了非凡的新见解——例如对表面物理学，以及对材料内部电子传递过程的研究。它让我们以一种难以想象的精确度来研究重要的物理过程。”Joachim Burgdörfer说道。
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编译：Coke
审稿：西莫
责编：张梦
期刊来源：《自然》
期刊编号：0028-0836
原文链接：
https://www.sciencedaily.com/releases/2018/09/180919133304.htm
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