激光脉冲加速和激发半导体材料内部电子的示意图。 在这个过程的最后，电子释放出一道闪光，携带着量子波函数的信息
经过十年的努力，研究人员首次实现了量子波函数的实验重建。 波函数是一个抽象概念，用于预测量子粒子的行为，是物理学家理解量子力学的基础。 然而，正是这个基础本身在字面上和哲学上都给物理学家蒙上了面纱。
波函数不能拿在手上，也不能在显微镜下观察。 更令人困惑的是，波函数的某些性质似乎并不真实。 事实上，数学家公开将这些属性标记为虚数，作为波函数如何预测现实世界实验结果的重要组成部分。 所谓虚数，就是字面上的虚数，比如负整数的平方根。 简而言之，如果说一个波函数“存在”，那么它就隐约存在于形而上学数学和物理现实之间。
最近，加州大学圣塔芭芭拉分校的研究人员及其同事在连接这两个领域方面取得了重大进展：他们首次重建了波函数。 该团队的研究结果发表在 11 月的《自然》杂志上，可能有助于电气工程和量子材料设计进入细粒度理解和精确控制的新时代。
对于现实世界的应用，例如现代电子产品，有些神秘的波函数是物理学家了解某些新设备内部真实情况的最佳方式。 为了预测电子在材料中移动的速度或它可以携带多少能量，研究人员必须从称为布洛赫波函数的计算开始。 这个波函数，又称布洛赫态，由物理学家费利克斯·布洛赫于1929年提出，后以他的名字命名。 加州大学圣克鲁兹分校的物理系学生、这项新研究的共同第一作者乔科斯特洛说，布洛赫波函数对于量子工程设备尤为重要。 “当你考虑构建任何一种利用量子力学的设备时，你需要对其（波函数）参数有很好的理解，”他强调说。
这包括 so ——称为波函数的量子力学。 “相位”，一个完全虚构但在设计量子计算机时通常至关重要的参数。 美国密歇根大学的物理学家 McKillo Kira 说：“它是（电子的）能量，长期以来一直被表征。它是所有电子产品的基础。” “但现在，有了量子信息技术，下一个层次结构将超越这一点，你最终会得到这些（波函数）阶段。” 他阅读了该研究的早期草稿，但没有直接参与这项工作。
为了达到更高的水平，该团队使用了两台激光器和半导体材料砷化镓。 他们的实验包括 3 个步骤：首先，他们用近红外激光脉冲撞击材料内部的电子。 这为粒子提供了额外的能量，使它们能够快速穿过半导体。 当每个带负电的电子开始移动时，一个所谓的空穴，一个类似于它的影子粒子——它具有与电子相同的特性，但带有正电荷——随之移动。 接下来，研究人员使用另一个激光脉冲将空穴与电子分离，然后迅速将它们重新组合。 当空穴和电子重新结合时，在独立移动时积累的额外能量以光的形式释放出来。
十年前，由加州大学伯克利分校的 Mark Sherwin 领导的物理学家团队注意到这些能量释放过程的一些奇怪之处：它们的特性对初始启动粒子运动异常敏感 . 激光脉冲性质的影响。 Sherwin 及其同事意识到，半导体材料的电子对光的响应方式存在很大的细微差别，这是一个尚未探索的话题。 “这超出了我们的预期，”宣威回忆道，“但我们决定更进一步，开始进行系统的研究。” 在这项新研究中，博士后学者吴奇乐进行了计算工作，他是宣威团队的成员，也是该研究的共同第一作者。 计算表明，这种敏感的细微差别也可用于重建半导体空穴的布洛赫波函数。
研究人员通过测量偏振特性揭示了吸收的激光和释放的闪光之间的联系。 偏振是光波在传播时振荡的方向。 在实验中，激光的偏振影响了轨道电子及其空穴的波函数的相位。 在实验结束时，两者的会合产生了一个闪光，其偏振由两个波函数的相位决定。 在物理方程中，这些相位通常表示为虚数而不是实数，因此将它们与非常真实且可测量的光偏振相关联是研究人员眼中的一项重要突破。
未参与这项工作的斯坦福大学物理学家钱博·吉米·雷 (Chambo Jimmy Ray) 强调了这项新研究的一个特点：利用光来获取信息，这在以前被认为是纯数学。 “这些（基于光的）方法有时可能很费力，或者在概念上具有挑战性，但大多数时候它们提供了对复杂[波函数]的虚部的访问，这是其他传统方法。” 此外，研究团队还成功地从同一偏振测量数据反推导出了整个布洛赫波函数。
Jimmy Ray进一步指出，加州大学圣地亚哥分校研究人员使用的激光除了偏振之外，还有另一个 非常重要的特性：它是一种超快激光脉冲，仅需万亿分之一秒即可击中电子。固体中的电子往往会撞击原子，使其难以不受干扰地移动，因此极快地控制电子对于分离和分离至关重要 电子和空穴的重组。否则，在任何给定的试验中，其中一个伙伴可能会受到原子的阻碍而无法重组。Seamus O’Hara，该研究的另一位共同第一作者和 Mark Sherwin 小组的博士生，归因于一些 该技术对小组使用加州大学圣地亚哥分校最先进的自由电子激光设备的优势。
但是，这项工作的影响可能会超出专业范围 zed 设备和简单的半导体。 Qile Wu 的理论工作表明，在 GaAs 中，布洛赫波函数可以在数学上重建，只需对重新发射的闪光的特性有一点了解。 但对于其他半导体材料，可能需要更全面的了解，而且这个过程可能会很困难。 “这项工作真的很有趣，因为它表明当结果非常明确时，你可以做一些非常基本的事情，”路易斯安那州立大学的物理学家 Mette Gard 说，她也没有参与这项研究。 事物。 这也意味着你可以用它来学习更复杂的结构。”
加州大学圣克鲁斯分校的团队对下一步有雄心勃勃的计划。展望未来，研究人员将更多地关注如何应用 他们的技术可以应用于电子相互作用强烈的材料，或者在新材料中，用激光激发出比电子和空穴更多的奇异粒子。科斯特洛渴望有更多机会去探索波函数这个不可见的世界。他说：“我们 正在寻找新材料。 如果人们有有趣的半导体材料，我们很乐意尝试。”
