(中國科學院半導(dǎo)體研究所 姬揚 編譯自 Andrew Murray. Physics World,，2020，(2): 31)

著名的楊氏雙縫實驗演示了光的干涉原理?，F(xiàn)在,，利用激光激發(fā)單個銣原子，可以做一種等效的單原子的雙縫干涉實驗,。

在過去的20年里,，我面試過400多名想來曼徹斯特大學學習物理的學生。楊氏雙縫實驗是經(jīng)常出現(xiàn)的題目,，顯然讓學生們感興趣,。但是，當我問起這個實驗是什么，他們總是回答：用電子演示波粒二象性——量子物理學的基石之一,。這很奇怪,，因為楊(Thomas Young)在1804 年做的這個實驗——遠在我們對電子或亞原子世界有任何了解之前。

最初的楊氏雙縫實驗首次證明了干涉現(xiàn)象,。他讓光穿過兩條狹長的縫,，觀察遠處屏幕上形成的圖案，楊沒有發(fā)現(xiàn)兩個對應(yīng)于狹縫的明亮區(qū)域,，而是看到了亮暗相間的條紋,。他解釋了這個意外的觀察結(jié)果，提出光是一種波,，反對牛頓關(guān)于光由粒子組成的觀點,。這些實驗及其隨后的解釋，最終形成了經(jīng)典的輻射定律,，總結(jié)為著名的麥克斯韋方程,。

直到上個世紀，量子力學的基礎(chǔ)牢固建立了以后,，楊氏實驗和波粒二象性的聯(lián)系才變得明顯,。1961年，德國圖賓根大學的Claus J?nsson 在銅片上加工出一組300 nm 寬的狹縫,，然后用電子顯微鏡的40 keV 電子束照射,。由此產(chǎn)生的圖像顯示了一種干涉模式，就像楊在160 年前首次用光看到的那樣,。這是首次的電子雙縫實驗,，證明電子束表現(xiàn)得像波。但是J?nsson 不能產(chǎn)生或測量單個電子,，因而不能證明每個電子本身都有波的特性,。

1965 年，費曼在加州理工學院做了一系列著名的講座,，其中討論了,，朝著雙縫發(fā)射單電子，在原則上可以產(chǎn)生干涉圖案——從而證明了物質(zhì)的波粒二象性,。費曼并不認為他的思想實驗是可能的,，但是制造技術(shù)的進步逐漸使這個前景接近現(xiàn)實。最終,， 意大利的StefanoFrabboni 及其同事讓電子通過只有83 nm寬的狹縫,，證明了干涉。

使用200 keV 的電子顯微鏡,，F(xiàn)rabboni 小組能夠?qū)⑹髯兊梅浅Ｈ?，能夠以很高的概率預(yù)測，在任何給定時刻，在源和探測器之間不超過一個電子,。但由于探測器的局限性，他們不能直接測量單個電子的干涉,。直到2013 年,，終于做了第一個實驗，令人信服地證明了單個電子的雙縫干涉(圖1),。

圖1 單電子的楊氏雙縫實驗,。如果向兩個狹縫1 和2 發(fā)射單個粒子(光子或電子)，則沿每條路徑的波函數(shù)φ₁和φ₂描述它們通過狹縫的概率,，探測器上的總波函數(shù)是φ_det=φ₁+φ₂,。探測到粒子的概率是φ_det² =φ₁²+φ₂²+2|φ₁||φ₂| cosΔξ，其中|φ₁|和|φ₂|是波的振幅,，Δξ是它們在探測器上的相位差,。其結(jié)果是一系列亮帶和暗帶，依賴于兩個波前是同相位(cosΔξ=1)還是反相位(cosΔξ=-1),，意味著檢測到粒子的機會要么很高,，要么很低。但是,，如果關(guān)閉狹縫2,，那么φ₂ = 0，看到的粒子分布僅僅是由于狹縫1(φ_det²=φ₁²),。如果關(guān)閉狹縫1,，那么φ₁ =0，分布由(φ_det²=φ₂²)給出,。分別測量兩個狹縫的信號,，可以計算干涉項，然后打開兩個狹縫,，測量粒子的分布

美國內(nèi)布拉斯加-林肯大學的Roger Bach 和同事們使用62 nm 寬的狹縫,，讓能量僅為0.6 keV的電子通過這些狹縫。更低的能量使得電子的德布羅意波長變得更長,，不僅讓干涉模式分離得更開,，還可以使用通道板探測器(channel plate detector)，從而計數(shù)單個電子,。Bach 小組能夠用擋板遮住狹縫,，每個狹縫都可以單獨打開或關(guān)上。

在這些實驗中,，Bach 小組降低了入射光束的強度,，使得每秒鐘只能探測到一個電子，從而保證在任何時候，源和探測器之間最多只有一個電子(概率大于99.9999%),。實驗連續(xù)進行了兩個小時,，起初，單個的電子好像是屏幕上隨機產(chǎn)生的點,。但是,，隨著檢測到的電子越來越多，亮暗區(qū)域相間的干涉模式就逐漸顯露出來,。

每個電子都是在下一個電子發(fā)射前就被檢測到的,，顯然不可能影響未來通過狹縫的電子。正如費曼所說的：我們必須承認,，每個電子(事實上也是所有的物質(zhì))都具有類似波的性質(zhì)(產(chǎn)生了干涉模式),，而且也必然是單獨的粒子(因為就是這樣被探測到的)。因此,，面試的學生們在討論波粒二象性的時候,，應(yīng)該引用這個雙縫實驗，而不是1804 年的楊氏實驗,。

然而,，這并不是楊氏雙縫實驗的終點?？茖W的新發(fā)現(xiàn)和新思想常常來自于貌似不相關(guān)的工作,，最近在曼徹斯特大學，我們的研究小組發(fā)現(xiàn)了一種全新的實驗方法,。我們用激光來激發(fā)原子,，然后向它們發(fā)射電子，研究原子采用的“形狀”,。電子隨著原子的退激發(fā)而獲得能量,，我們在不同的角度捕捉這些被散射的電子。

對于這種“ 超彈性” 碰撞過程,，我們已經(jīng)了解得很多,，研究了很多年。但是,，在用420.30 nm藍光激發(fā)銣原子中的一種特殊狀態(tài)(6P 態(tài)) 時,， 我們發(fā)現(xiàn)了一件怪事。這一次我們沒有在超彈性碰撞過程中找到任何電子,。為什么沒有信號呢,？

結(jié)果表明，實驗中的激光束產(chǎn)生了大量的光電子(即使關(guān)掉入射電子束,，也能看到這些光電子),，但它們都處于低能態(tài),。實際上，光電子以4種不同的能量出現(xiàn),，數(shù)量大得淹沒了我們期望的超彈性信號,。光電子不僅來自6P態(tài)，還來自原子能夠弛豫到的能量更低的態(tài),，包括從5P態(tài)中踢出來的0.36 eV電子(圖2(a)),。

圖2 單原子的楊氏雙縫實驗。(a)新版本的楊氏雙縫實驗不用向狹縫發(fā)射粒子,，而是用激光以不同的方式激發(fā)銣原子。用藍色420.30 nm激光把原子從5S態(tài)激發(fā)到6P態(tài)(由藍色粗箭頭表示的躍遷),。6P態(tài)弛豫到另外兩種態(tài)(4D 和6S),，然后弛豫回到第4 種狀態(tài)(5P)——弛豫由虛線箭頭表示。額外的藍色光子(也是420.30 nm波長)可以電離這些態(tài),，產(chǎn)生4 種不同能量的光電子(以藍色細箭頭表示),，包括0.36 eV。在780.24 nm處使用第二個紅外激光器,，可以將銣原子激發(fā)到5P 態(tài),，也可以從6P 態(tài)產(chǎn)生0.36 eV的光電子(紅色箭頭)。(b)讓探測器只測量0.36 eV的電子,，它們來自兩種可能的路徑——要么通過紅外激光電離的6P態(tài),，要么通過藍色激光電離的5P態(tài)。這兩條路可以打開或關(guān)閉,，就像在傳統(tǒng)的雙縫實驗中打開或關(guān)閉狹縫一樣

但是,，這和雙縫實驗有什么關(guān)系呢？我們認識到,，如果發(fā)射第二束波長為780.24 nm 的紅外激光束,，這種光不僅能把原子激發(fā)到5P態(tài)，而且還能電離6P態(tài),，產(chǎn)生能量為0.36 eV的光電子,。與藍光在電離5P 態(tài)的銣原子時產(chǎn)生的光電子能量完全相同。

換句話說,，有兩條可能的路徑產(chǎn)生這種能量的光電子( 圖2(b)),。激光束有效地“引導(dǎo)”了光電離過程，所以它要么通過波函數(shù)Ψ₁的5P 態(tài)(相當于常規(guī)楊氏雙縫實驗中的狹縫1),，要么通過波函數(shù)Ψ₂的6P 態(tài)(相當于狹縫2),，或兩個態(tài)同時進行。我們不測量屏幕上光子或電子的強度,，而是在激光束的偏振度,，計數(shù)在不同角度θ上的光電子數(shù)目——所謂的微分截面DCS(θ),。

稍微改變一個或另一個激光器的頻率，可以打開或關(guān)閉通路,，就像在傳統(tǒng)的楊氏雙縫實驗中打開或關(guān)閉狹縫一樣,。讓藍色激光器失諧，可以只激發(fā)5P 態(tài),，關(guān)閉了路徑2,，得到的光電子產(chǎn)率為DCS₁(θ)∝ Ψ₁² ，其中θ是散射角,。關(guān)掉紅外線激光器,，就只激發(fā)6P態(tài)，關(guān)閉了路徑1,，得到DCS₂(θ) ∝Ψ₂² ,。當兩個激光器都處于共振時，兩個態(tài)都會激發(fā),，波函數(shù)必須相加,，得到DCS₁₊₂(θ)∝ (Ψ₁+ Ψ₂)²。

就像楊氏實驗一樣,，我們最終得到了干涉模式,。實際上，干涉項DCS_interf(θ)正比于2|Ψ₁||Ψ₂| cosΔ χ,，其中|Ψ₁| 和|Ψ₂| 是沿著每條路徑的振幅,，Δχ是到達探測器的波的相對相移。通過三組測量,，可以確定DCS_interf(θ)：一組是兩個激光器共振,，給出DCS₁₊₂(θ)，另一組是藍色激光非共振,，給出DCS₁(θ),，第三個是紅外激光非共振，給出DCS₂(θ),。

新雙縫實驗的困難在于,，找到一種方法檢測能量僅為0.36 eV的光電子，這比早期電子顯微鏡研究的能量低60 萬倍,。我們的解決方法是,，在實驗中小心地消除磁場和電場(否則會影響原子產(chǎn)生電子)，并且制作了探測器,，能夠在這種能量下選擇和計數(shù)單個電子,。

這個實驗揭示了什么？

如果兩條電離路徑之間沒有干涉(正如對電離過程的經(jīng)典解釋所預(yù)期的那樣),，那么在所有角度上,，干涉項和相對相移都應(yīng)該是零,。但結(jié)果并不為0( 圖3)。例如,， 干涉項從-0.14 到-0.56 不等,，證明兩條路徑之間存在顯著的干涉。同時,，平均相移為Δχ=115°,，也遠遠不等于0。這清楚地表明,，每個原子產(chǎn)生的單個電子必須具有波的性質(zhì),，直到它們作為真實粒子被探測器檢測到。事實上,，我們的結(jié)果與JonasW?tzel 和Jamal Berakdar 的計算結(jié)果符合得非常好——他們來自于德國馬丁-路德大學,，是光電離過程的數(shù)值計算專家。

圖3 從想法到實驗,。在等價的楊氏雙縫實驗中，位于真空室里的原子爐發(fā)射一束銣原子,。向銣原子發(fā)射藍色和紅外激光,，給銣原子提供能量。讓兩束激光垂直地進入真空室,，360° 地改變激光的偏振角度,，測量不同角度的光電子的數(shù)量。這幅圖顯示了測量的“微分截面”DCS_interf(θ),，產(chǎn)生0.36 eV 光電子的兩種可能的電離途徑之間的“相對相移”Δχ = χ₁(θ) - χ₂(θ),。如果沒有干涉，則DCS_interf(θ)將為零,，而Δ χ也為0,。這些數(shù)值顯然不是0，并且與理論計算結(jié)果一致,，從而表明光電子既有波動性也有粒子性,，證實了波粒二象性

展望未來，我們正在擴展和改進模型,，以研究其他原子,、其他態(tài)和不同區(qū)域(regime)的干涉。例如,，最近應(yīng)用于飛秒激光激發(fā)的過程,。進一步的理論研究表明，選擇能量接近的原子態(tài),，可以顯著增強干涉項,，而且,，初始態(tài)沒有必要是基態(tài)——當這個過程以激發(fā)態(tài)原子開始時，會發(fā)生什么呢,？這可以幫助我們理解恒星的大氣,，其組成原子通常處于激發(fā)態(tài)。另一種可能性是雙路徑激發(fā)到高激發(fā)態(tài)的里德堡原子,，其中的電子與原子核離得非常遠,，整個原子就像細胞一樣大——因此可以用于量子計算機。

只有想象力能夠限制我們,。