回声,即由于波反射回听者而重复或混响的声音,通常在几个物理系统中发生。在物理学研究中,回波通常被用来消除系统与环境相互作用引起的去相效应,以及揭示某些物体的固有属性。魏茨曼科学研究所和华东师范大学(ECNU)的研究人员,通过实验观察到单个孤立分子中的量子波包回声。其研究成果发表在《自然物理学》期刊上,可能会为探测分子中超快的分子内过程引入新工具。

开展这项研究的研究人员之一伊利亚·阿弗巴克赫(Ilya Averbukh)教授说:2017年魏兹曼研究所的基布茨·艾因盖迪(Kibbutz Ein Gedi)组织了一个关于非线性光学的研讨会,期间,我们与中国同事进行了一次讨论,得出了这项研究的结果,此前我们与上海以及第戎勃艮第大学的一个法国团队,进行了持续成功的合作,专注于分子旋转中的回声。Averbukh和同事们最初进行的理论分析表明:

在分子气体中观察到的旋转回波应该与分子振动动力学相对应,这一预测后来得到了实验证实。然而开始进行实验时,研究人员就意识到,华东师范大学使用的测量系统,也可以在极其稀薄的气体中观察到所谓的“回声效应”,甚至可能是在单个分子中。事实上,华东师范大学研究人员使用的设备,能够检测到单个分子的信号,一次一个。当意识到这一点后,研究小组开始研究单个分子中的量子波包回声。

实验中使用的分子是振动冷却的,因此所有分子与激光场的相互作用,都是从相同的初始状态开始,并受量子力学定律的支配。通常,回声出现在包含许多自旋、原子或分子的系综中,这些自旋、原子或分子的性质略有分散。在单分子情况下,所需的‘不确定性’是由量子力学引入,虽然所有分子都是从相同的初始态开始,它们被完全相同的激光场激发,但在激发后的状态并不完全清楚,分子存在于多个量子振动态的‘叠加’中。

Averbukh和同事们研究的效应与1965年诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼(Richard Feynman)在一项著名思维实验中介绍的结果相似。在这项“格丹肯实验”中,费曼考虑通过两个间隔很近的狭缝逐个发送电子,并从这些狭缝后面的屏幕上收集信号。如果没有引入额外的测量,量子力学定律将“阻止”研究人员知道每个单独的电子通过哪个狭缝。结果,虽然个别电子被随机散布在屏幕周围。

但当实验重复多次时,个别在屏幕上的点击形成了由这种“量子不确定性”造成的干涉图案。在新研究的情况下,量子干涉发生在每个单独的分子内部,它在时域而不是规则空间中表现出来。从某种意义上说,新研究呈现了费曼思维实验的分子内时间分辨版本。在进行的实验中,用飞秒和Angstrom分辨率可视化了孤立单分子中量子波包回波的时空动力学。为了做到这一点,研究人员使用了华东师范大学研究小组在超高真空室中设计符合的探测技术。

华东师范大学领导团队进行实验的吴健教授说:分子与激光脉冲相互作用,一次一个,并且是单独测量的。类似于‘单粒子’干涉实验,例如单电子或单光子通过双缝,在这里,测量被重复多次,直到单分子回波的概率分布在空间和时间上清晰可见。通过脉冲激发分子中的振动波,研究人员能够观察到它们随时间的振荡和弥散。这使得能够确定分子中回声形成背后的两个关键机制,即斯塔克诱导的分子势能振动和在核空间分布中产生耗尽诱导的“空洞”。

观察到来自单个分子的回声,是一种不同寻常的结果。以前的大多数研究都集中在分子不均匀分布中出现的回声,其中回声通常被用来消除不同分子之间的个体差异。另一方面,目前这项研究背后的团队,能够内在地探测单个分子的内部属性,收集有趣的新结果。开展这项研究的另一位研究人员叶海姆·普赖尔(Yehiam Prior)教授说:我们对单分子的实验加入了少量相关实验,如单电子、单原子或单光子的干扰(例如双缝Young实验)。

因此,它们为量子力学中波粒二象性的基本元素提供了新视角。到目前为止,魏茨曼科学研究所和华东师范大学的科学家们,已经在单个小分子上进行了实验。然而,在未来,他们的程序原则上可以用来研究具有许多内部自由度较大物体中的回声,从而能够研究孤立分子中的这些内部自由度。此外,其研究发现可能会为开发更有效的工具,来探测不同分子中的特定过程铺平道路。

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博科园|研究/来自:华东师范大学/魏茨曼科学研究所/Copyright Science X Network/Ingrid Fadelli/Phys

参考期刊《自然物理学》

DOI: 10.1038/s41567-019-0762-7

部分图片:华东师范大学新闻中心

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图文简介

回声,即由于波反射回听者而重复或混响的声音,通常在几个物理系统中发生。在物理学研究中,回波通常被用来消除系统与环境相互作用引起的去相效应,以及揭示某些物体的固有属性。