物理学家首次通过实验重构量子波函数

经过十几年的研究，一组科学家第一次通过实验的方法成功地重构了量子波函数。这项成果11月3日发表于《自然》（Nature）期刊。

波函数是描述量子粒子特性的抽象概念，是物理学家构建量子力学的重要基石。电子在不同材料内部所展现的特性不同，掌握这其中的规律是研发新材料所需要的关键环节。

要预测一个电子在材料内移动的速度，或是它所携带的能量，科学家使用的是1929年物理学家菲利克斯·布洛赫（Felix Bloch）提出的布洛赫波（Bloch wave）函数。这对开发量子设备很重要。在这个函数提出九十多年后，这份研究终于首次通过实验重构了这个波函数。

主要研究者之一加州大学圣塔芭芭拉分校（University of California，Santa Barbara，缩写U.C.S.B.）毕业生乔·科斯特洛（Joe Costello）说：“电子的波函数很特别，如果你要设计用到量子学特性的新设备，你需要对这些（函数所涉及的）参数非常了解。”

这些参数非常抽象，比如电子的能量级、以及函数“相位”（phase）等。在以前的研究中，科学家对电子的能量级有了不错的探讨;然而随着量子技术的发展，相位参数的重要性随之增加。这正是这份研究重点突破的对象。

这个研究组用两束激光和半导体材料砷化镓进行实验，从它们的互动中对相位参数展开探索。这个实验包含三个步骤。第一步他们先用近红外激光刺激材料内的电子。这给予电子能量使其在半导体中快速运动。电子是带负电荷的，当它们快速运动的时候，会出现一个名为“空穴”（hole）的粒子随着一起移动，空穴可以理解为是电子的影子粒子，但是它带正电荷。

第二步，研究人员使用另一束超快脉冲激光把电子和空穴击散，之后又快速允许它们重聚。这束激光作用的时间短到只有万亿分之一秒。最后，空穴和电子在分开期间所增加的能量，在重聚的时候以出现一道闪光的方式释放。

十年前，这个研究组的负责人U.C.S.B.的物理学家马克·舍温（Mark Sherwin）就意识到，这些闪光的特性对激光的特性很敏感。现在，他引领的研究组通过实验展示，电子和空穴重聚时所发出闪光，与开始的时候用于冲击电子的激光的偏振特性密切相关。正是激光的偏振特性影响着电子和空穴之间波函数的不同“相位”。最后释放的闪光的偏振性，也是由这个函数的相位决定的。

在以前，相位这样抽象的参数无法用物理公式上实际的数字描述，而这份研究把它与实际的、光的偏振度的测量联系起来。

没有参与这份研究的同行、斯坦福大学物理学家香布·吉米尔（Shambhu Ghimire）说，这份研究把以前完全不可捉摸的、抽象的数学概念，用对光的测量展示了出来，这份研究的突破之处正在于此。