在阿秒之间看见电子
捕捉电子运动的瞬间 Raffael Spachtholz（左）与 Katharina Glöckl（右）在实验所使用的扫描隧道显微镜装置旁。图片提供：Katharina Glöckl、Raffael Spachtholz，雷根斯堡大学 Katharina Glöckl 与 Raffael Spachtholz 谈如何捕捉电子运动的瞬间 编者按 有些实验最重要的发现，并不是揭示我们知道了什么，而是让我们看见知识能够抵达的边界。 今年七月，雷根斯堡超快纳米科学中心与汉堡马克斯·普朗克研究所的研究人员在量子测量中揭示了一种新的权衡关系：对电子运动发生的时间掌握得越精确，对其空间位置的判断就越不确定。这并非对海森堡不确定性原理的修正，而是与之并存的另一种限制。研究人员将其称为电子运动的“时空极限”，并首次在实验中直接观测到这一效应。 我最初联系了 Jascha Repp 教授，他随后建议我与真正参与实验的两位博士研究人员 Katharina Glöckl 和 Raffael Spachtholz 交流。接下来的对话，是他们以自己的语言讲述一项历时七年多的研究如何一步步展开。从最初的构想到寻找一种能够同时获得高时间分辨率与高空间分辨率的方法，再到激光系统与扫描隧道显微镜的研制，实验精度最终达到足以观测一个此前只存在于理论预测中的现象。他们也谈到了亲眼看到电子在光脉冲过后半飞秒才作出响应，究竟是一种怎样的体验。 — Adelina 测量过程中发光的扫描隧道显微镜针尖。图片提供：Katharina Glöckl、Raffael Spachtholz，雷根斯堡大学 对话 Our Narratives 第一次从数据中看出你们观测到的可能是真实信号，而不是噪声或实验装置造成的假象时，发生了什么？当时是什么感受？ Katharina：说实话，刚开始的时候你会有些迟疑。你看到一个似乎确实由光波驱动的电流信号，但第一反应还是逐一排查各种可能：我是不是漏掉了什么？我们真的把所有问题都考虑清楚了吗？误差可能藏在哪里？ 只有当你亲自排除了所有可能产生假信号的来源之后，才会真正感到兴奋，而随之而来的，还有更强烈的好奇心。从那一刻开始，我们只想继续测量，看看还能发现什么。事实上，还有太多未知等待我们去探索，而这也正是科研最令人着迷的地方。 Our Narratives 要建立一个达到阿秒精度的实验，听起来几乎难以想象。要让激光的时间控制达到所需精度，最困难的部分是什么？你们花了多久才真正开始相信测量结果？ Katharina：激光系统最先搭建起来。论文第一作者 Simon Maier 和我的博士导师 Rupert Huber 使用经过自行改装的商业模块设计了整套系统。 真正耗费时间的是之后的工作，包括优化光学波形、达到测量所要求的稳定性，同时还要搭建一台适合实验需要的扫描隧道显微镜。 测量中最困难的问题是热稳定性。近红外光会给针尖和样品带来相当大的热负荷，即使激光功率只有极微小的变化，也可能引起远大于我们真正想测量的光波驱动电流的变化。 通常可以通过周期性切断光束来分离信号，但在这里行不通，因为光束的开关本身会产生热效应，足以淹没真正的信号。最终的关键思路，是改为调制脉冲的载波包络相位，并让所有信号锁定在同一个参考基准上。 Raffael：还需要强调一点，完成这项实验所需要的远不只是一种新型激光源。扫描隧道显微镜也是专门为这些实验自行设计和制造的，而激光系统则与它同步开发。 要把两个处于前沿的研究领域结合起来，需要 Jascha Repp 和 […]