中外科研人員測出量子隧穿時間上限

自量子力學建立以來，關於量子隧穿的發生是否需要時間一直飽受爭議。近日，中國科學院精密測量院柳曉軍團隊公佈其與俄羅斯、澳大利亞科研人員的合作成果，首次將基於“阿秒鐘”的隧穿時間測量拓展到分子體系，得出該時間上限為10阿秒（1阿秒=10-18秒）。

量子隧穿效應是指在微觀世界中電子等微觀粒子能夠穿越高於自身能量位壘勢的“奇異”行為。量子隧穿對理解眾多自然現象，如恒星核聚變、放射性衰變等起著至關重要的作用，同時也是掃描隧道顯微鏡等現代科學儀器的物理基礎。

針對飛秒強鐳射場條件下原子內發生的電子隧穿電離是否需要時間這一問題，科學界提出“阿秒鐘”方案，通過將隧穿時間轉化為隧穿電子發射角度的偏轉，從光電子譜動量分佈中讀取隧穿時間資訊。但過去10多年來，不同研究小組基於“阿秒鐘”方案，結合不同原子體系開展研究得到的結論卻大相徑庭：隧穿電離或許瞬間發生，或許需花費百阿秒量級的時間。

圍繞這一爭議，柳曉軍團隊及合作者提出一種新穎的、基於離子碎片測量的分子“阿秒鐘”方案，將隧穿時間測量首次拓展到分子體系。研究團隊將該方案應用於氫氣分子的強場隧穿電離研究，得到的隧穿時間上限為10阿秒，這與前人基於氫原子隧穿電離研究得到的隧穿瞬間發生的結論一致。

柳曉軍介紹，分子“阿秒鐘”方案可望拓展用於其他複雜分子體系，進一步研究如分子結構、分子軌道對稱性等複雜分子特性對強場隧穿電離過程的影響，進而深化對量子隧穿時間相關問題的認識。相關研究成果最近已發表在物理學權威雜誌《物理評論快報》上。