光速被許多研究人員認(rèn)為是宇宙中最快的速度。任何看到棱鏡將白光分成“彩虹”有色光的人都見證了材料特性如何影響量子物體的行為：在這種情況下，光的傳播速度。 電子在材料中的行為也與它們?cè)谧杂煽臻g中的行為不同，了解電子的行為對(duì)于研究材料特性的科學(xué)家和希望開發(fā)新技術(shù)的工程師來說至關(guān)重要。

“電子的波性是非常特別的。如果你想在未來設(shè)計(jì)出利用這種量子力學(xué)性質(zhì)的設(shè)備，你需要非常了解這些波函數(shù)，”共同作者、加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校凝聚態(tài)物理學(xué)研究生Joe Costello解釋說。

在一篇新的論文中，共同第一作者Costello、Seamus O’Hara 和吳啟樂（音譯）以及他們的合作者開發(fā)了一種方法來計(jì)算這種波的性質(zhì)，稱為布洛赫波函數(shù)（Bloch （wave）function），來自物理測(cè)量。"高級(jí)作者、加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校凝聚態(tài)物理學(xué)教授Mark Sherwin說："這是第一次對(duì)布洛赫波函數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性重建。該小組的研究結(jié)果發(fā)表在《自然》雜志上，在費(fèi)利克斯·布洛赫首次描述晶體固體中的電子行為90多年后，該研究結(jié)果才得以發(fā)表。

像所有物質(zhì)一樣，電子可以表現(xiàn)為粒子和波。它們的波狀特性由稱為波函數(shù)的數(shù)學(xué)對(duì)象來描述。這些函數(shù)有實(shí)部和虛部，使它們成為數(shù)學(xué)家所說的"復(fù)數(shù)"函數(shù)。因此，電子的布洛赫波函數(shù)的值是不能直接測(cè)量的；但是，與之相關(guān)的屬性可以直接觀察。

Sherwin說，了解布洛赫波函數(shù)對(duì)于設(shè)計(jì)工程師所設(shè)想的未來設(shè)備至關(guān)重要。挑戰(zhàn)在于，由于材料中不可避免的隨機(jī)性，電子被撞來撞去，它們的波函數(shù)散開，正如O'Hara解釋的那樣。這種情況發(fā)生得非常快，在100飛秒的量級(jí)。這使得研究人員無法對(duì)電子在材料本身的波狀特性進(jìn)行足夠準(zhǔn)確的測(cè)量，以重建布洛赫波函數(shù)。

幸運(yùn)的是，Sherwin小組是正確的一組人，擁有正確的一組設(shè)備，來應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。

研究人員使用一種簡單的材料--砷化鎵來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該材料中的所有電子最初都停留在Ga和As原子之間的鍵上。使用一個(gè)低強(qiáng)度、高頻率的紅外激光，他們激發(fā)了材料中的電子。這種額外的能量將一些電子從這些鍵中釋放出來，使它們更具流動(dòng)性。每個(gè)被釋放的電子都會(huì)留下一個(gè)帶正電的"洞"，有點(diǎn)像水中的氣泡。Sherwin解釋說，在砷化鎵中，有兩種洞，"重"洞和"輕"洞，它們的行為就像具有不同質(zhì)量的粒子。這種微小的差異在后來是至關(guān)重要的。

在這段時(shí)間里，一個(gè)強(qiáng)大的太赫茲激光器正在材料內(nèi)創(chuàng)造一個(gè)振蕩電場(chǎng)，可以加速這些新的不受約束的電荷。如果移動(dòng)的電子和空穴在正確的時(shí)間被創(chuàng)造出來，它們將加速離開對(duì)方，放慢速度，停止，然后加速向?qū)Ψ揭苿?dòng)并重新結(jié)合。在這一點(diǎn)上，它們會(huì)發(fā)射出一個(gè)光脈沖，稱為邊帶，具有特征能量。這種邊帶發(fā)射編碼了關(guān)于量子波函數(shù)的信息，包括它們的相位，或者說波與波之間的偏移程度。

由于"重"洞和"輕"洞在太赫茲激光場(chǎng)中的加速率不同，它們的布洛赫波函數(shù)在與電子重新結(jié)合之前獲得了不同的量子相位。因此，它們的波函數(shù)相互干擾，產(chǎn)生了儀器所測(cè)量的最終發(fā)射。這種干擾也決定了最終邊帶的偏振，即使兩個(gè)激光器的偏振都是線性的，它也可能是圓形或橢圓形的。

正是偏振將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與量子理論聯(lián)系在一起，而量子理論是由博士后研究人員吳啟樂闡述的。吳啟樂的理論只有一個(gè)自由參數(shù)，一個(gè)連接理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)值數(shù)字。“所以我們有一個(gè)非常簡單的關(guān)系，將基本的量子力學(xué)理論與現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)驗(yàn)聯(lián)系起來，”吳啟樂說。

“啟樂的參數(shù)完全描述了我們?cè)谏榛壷袆?chuàng)建的孔的布洛赫波函數(shù)，”共同第一作者、Sherwin小組的博士生Seamus O'Hara解釋說。研究小組可以通過測(cè)量邊帶極化來獲得這一點(diǎn)，然后重建波函數(shù)，這些波函數(shù)根據(jù)孔在晶體中傳播的角度而變化。啟樂的優(yōu)雅理論將參數(shù)化的布洛赫波函數(shù)與我們應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)中觀察到的光的類型聯(lián)系起來。"

“布洛赫波函數(shù)之所以重要，”Sherwin補(bǔ)充說，“是因?yàn)?，?duì)于你想做的涉及孔的幾乎任何計(jì)算，你需要知道布洛赫波函數(shù)。”

目前，科學(xué)家和工程師不得不依賴有許多不為人知的參數(shù)的理論。“因此，如果我們能夠準(zhǔn)確地重建各種材料中的布洛赫波函數(shù)，那么這將為各種有用和有趣的東西的設(shè)計(jì)和工程提供信息，如激光器、探測(cè)器，甚至一些量子計(jì)算架構(gòu)，”Sherwin說。

這一成就是十多年工作的結(jié)果，再加上一個(gè)積極的團(tuán)隊(duì)和合適的設(shè)備。在2009年的一次會(huì)議上，Sherwin和香港中文大學(xué)的劉仁寶的一次會(huì)面促成了這個(gè)研究項(xiàng)目。他說："這不像是我們10年前就開始測(cè)量布洛赫波函數(shù)，"他說；"這種可能性是在過去十年中出現(xiàn)的。"

Sherwin意識(shí)到，獨(dú)特的、建筑物大小的加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校自由電子激光器可以提供加速和碰撞電子和空穴所需的強(qiáng)大太赫茲電場(chǎng)，同時(shí)擁有非常精確的可調(diào)諧頻率。

該團(tuán)隊(duì)最初并不理解他們的數(shù)據(jù)，花了一段時(shí)間才認(rèn)識(shí)到邊帶極化是重建波函數(shù)的關(guān)鍵。Sherwin說：“我們?yōu)榇怂伎剂撕脦啄?，在啟樂的幫助下，我們最終發(fā)現(xiàn)，偏振確實(shí)告訴了我們很多東西。”

現(xiàn)在他們已經(jīng)驗(yàn)證了在他們熟悉的材料中測(cè)量布洛赫波函數(shù)的方法，該團(tuán)隊(duì)渴望將他們的技術(shù)應(yīng)用于新型材料和更多奇特的類粒子。Costello說：“我們的希望是，我們從擁有令人興奮的新材料的小組那里得到一些興趣，他們想了解更多關(guān)于布洛赫波函數(shù)的情況。”

【來源：cnBeta.COM】

關(guān)鍵詞： 布洛赫 實(shí)驗(yàn)性 首次