量子跃迁的快慢，取决于材料维度

时间究竟是什么、又该如何定义？这是哲学与物理学长期悬而未决的难题。量子力学的出现并没有让它迎刃而解，反而让问题更显棘手。归根结底，关键在于：时间在量子力学中究竟扮演怎样的角色——而这一核心议题之下，还分岔出一系列具体问题。其中一个重要的问题是：量子跃迁究竟发生在多短的时间尺度上。

在量子世界中，如电子通过吸收一个光子而改变其状态等量子事件，都以快到令人难以想象的速度发生。但能量守恒意味着，这类跃迁不可能是瞬间完成的。理论上，它们应该发生在阿秒量级（10⁻¹⁸秒）。

但一直以来，要通过实验来测量如此微小的时间间隔都极具挑战：不仅因为这些时间尺度极其短暂，还在于使用任何的外部计时工具，都有可能影响测量结果。不过，这两个难点可以同时通过量子干涉法来解决，其关键依据是：量子态会积累相位，而相位的积累与时间演化有关。

在一项新的研究中，研究人员利用“光电发射”过程中逸出电子的自旋来读取相位信息，从而推断这次量子跃迁持续了多长时间。这些实验不需要外部参考或时钟，就能得到在吸收光子之后，电子的波函数从初始态演化到更高能量的最终态所需的时间尺度。

与维度/对称性有关

在实验中，研究人员使用了一种名为“自旋与角分辨光电发射光谱”（SARPES）的技术，在具有不同维度特征与不同关联强度的材料中测量了量子跃迁的时间尺度。这种方法涉及到用强同步辐射光照射材料，将其中的电子推至更高能量并迫使它们逸出材料结构，随后测量这些逸出电子的能量、方向和自旋。

其原理是这样的：当光激发一个电子时，电子并不是只能走一条“唯一路径”。在量子力学里，它可以同时沿着几条不同的量子路径演化。这些路径会彼此干涉，而这种干涉会在逸出电子的自旋上呈现为一种特定的图样。通过研究这种自旋图样如何随电子能量而变化，研究团队便能计算出该量子跃迁的持续时间。

他们测试了在原子尺度上具有不同“形状”的材料，有些材料是完全三维的，例如普通的铜；还有些材料是由彼此连接较弱的层状结构构成的，表现得更像平坦的薄片，如二硒化钛（TiSe₂）和二碲化钛（TiTe₂）；还有呈链状的结构，比如碲化铜（CuTe）。这些差异使它们非常适合用于检验几何形态如何影响时间尺度。

体系的维度(更准确地说是对称性）与量子跃迁的时间尺度之间存在直接联系。（图/Guo et al./Newton）

实验结果呈现出了一个清晰的规律——材料的结构越简单、越“降维”，量子跃迁持续的时间就越长：在三维铜中，这一跃迁极其迅速，持续约26阿秒；在两种层状材料TiSe₂和TiTe₂中，这一过程明显变慢，时间尺度达到约140–175阿秒；而在具有链状结构的CuTe中，跃迁时间的耗时则超过了200阿秒。

这意味着，材料在原子尺度上的“形状”会显著影响量子事件展开的快慢：对称性更低的结构会导致更长的跃迁时间。

意义与应用

这项研究不仅帮助理解“光电发射为何会有时间延迟、由什么决定”，还进一步揭示：在量子层面，哪些因素会影响时间，以及量子跃迁在多大程度上可以被视为瞬时；这些结果构成了理解量子力学中时间问题这一“拼图”的重要一块。

此外，这些发现也提供了一种工具，用于探测电子在复杂材料中如何相互作用。了解一次量子跃迁持续多久，可以帮助科学家设计具有特定量子特性的材料，并改进那些依赖于精确控制量子态的未来技术。

#参考来源：

https://actu.epfl.ch/news/measuring-time-at-the-quantum-level/

https://www.cell.com/newton/fulltext/S2950-6360(25)00366-4

#图片来源：

封面图&首图：lisaleo/ Pixabay