作者:加州大学圣巴巴拉分校哈里森·塔索夫
在右下角，近红外激光将两种电子(空心圆)与两种空穴(实心圆)分开
太赫兹激光(灰度波)的波动电场加速电荷相互远离
然后，变化的磁场将电荷拉向彼此，此时它们结合并发出两次闪光
轨迹被描绘在一维空间中，时间从右下角流向左上角
信用:布莱恩龙 光速是宇宙中最快的速度
除非不是
任何见过棱镜将白光分裂成彩虹的人都见证了材料属性如何影响量子物体的行为:在这种情况下，就是光传播的速度
电子在材料中的行为也不同于它们在自由空间中的行为，理解这一点对于研究材料特性的科学家和寻求开发新技术的工程师来说至关重要
“一个电子的波动性质非常特殊
如果你想在未来设计利用这种量子力学性质的设备，你需要非常了解这些波函数，”合著者乔·科斯特洛解释说，他是加州大学圣巴巴拉分校凝聚态物理的研究生
在一篇新论文中，合著者科斯特洛、谢默斯·奥哈拉和·吴以及他们的合作者开发了一种根据物理测量计算这种波性质的方法，称为布洛赫波函数
加州大学圣巴巴拉分校的凝聚态物理教授、资深作者马克·舍温说:“这是首次对布洛赫波函数进行实验重建。”
该团队的发现发表在《自然》杂志上，发表于费利克斯·布洛赫首次描述晶体固体中电子行为90多年后
像所有物质一样，电子可以表现为粒子和波
它们的类波特性由称为波函数的数学对象描述
这些函数既有实部也有虚部，这使得它们成为数学家所说的“复”函数
因此，电子的布洛赫波函数的值是不能直接测量的；然而，可以直接观察到与之相关的特性
谢文说，理解布洛赫波函数对于设计工程师们为未来设想的器件至关重要
挑战在于，正如奥哈拉所解释的那样，由于材料中不可避免的随机性，电子会四处碰撞，其波函数会散射
这发生得非常快，大约一百飞秒(不到百万分之一秒)
这使得研究人员无法对材料本身的电子类波特性进行足够精确的测量，以重建布洛赫波函数
幸运的是，舍温集团是应对这一挑战的合适人选，拥有合适的设备
研究人员使用一种简单的材料砷化镓来进行他们的实验
材料中的所有电子最初都粘在镓原子和砷原子之间的键上
他们使用低强度、高频红外激光，激发材料中的电子
这些额外的能量将一些电子从这些键中释放出来，使它们更易移动
每个被释放的电子都会留下一个带正电的“洞”，有点像水中的气泡
舍温解释说，在砷化镓中，有两种空穴，“重”空穴和“轻”空穴，它们的行为就像质量不同的粒子
这种微小的差异在后来变得至关重要
一直以来，一个强大的太赫兹激光在材料中产生一个振荡电场，可以加速这些新的不受束缚的电荷
如果移动的电子和空穴在正确的时间被创造出来，它们会加速远离彼此，减速，停止，然后向彼此加速并重新结合
在这一点上，它们会发射一种光脉冲，称为边带，具有特征能量
这种边带发射编码了关于量子波函数的信息，包括它们的相位，或者波之间的偏移程度
马克·舍温(右下)解释了自由电子激光器的内部工作原理
巨大的黄色容器加速电子，电子沿着光束线被引导到最左边的“摇摆器”中
学分:加州大学圣巴巴拉分校 因为轻空穴和重空穴在太赫兹激光场中以不同的速率加速，它们的布洛赫波函数在与电子重新结合之前获得了不同的量子相位
结果，它们的波函数相互干涉，产生了由仪器测量的最终发射
这种干涉还决定了最终边带的偏振，尽管两个激光器的偏振都是线性的，但最终边带可以是圆形或椭圆形的
正是极化将实验数据与量子理论联系起来，博士后吴对此进行了阐述
齐乐的理论只有一个自由参数，一个连接理论和实验数据的实数
“所以我们有一个非常简单的关系，将基本的量子力学理论与现实世界的实验联系起来，”吴说
“齐乐的参数完全描述了我们在砷化镓中产生的空穴的布洛赫波函数，”第一作者之一谢文集团的博士生谢默斯·奥哈拉解释道
该团队可以通过测量边带偏振来获得这一点，然后重建波函数，波函数根据空穴在晶体中传播的角度而变化
“齐乐的优雅理论将参数化的布洛赫波函数与我们应该通过实验观察的光的类型联系起来
" “布洛赫波函数之所以重要，”舍温补充道，“是因为，对于几乎任何涉及空穴的计算，你都需要知道布洛赫波函数
" 目前，科学家和工程师不得不依赖具有许多鲜为人知的参数的理论
舍温说:“因此，如果我们能够在各种材料中精确地重建布洛赫波函数，那么这将为各种有用和有趣的东西的设计和工程提供信息，比如激光、探测器，甚至一些量子计算架构。”
这一成就是十多年工作的结果，加上积极的团队和合适的设备
2009年，在香港中文大学的一次会议上，舍温和刘仁宝的会面促成了这个研究项目
“这不像我们10年前开始测量布洛赫波函数，”他说；“这种可能性是在过去十年中出现的
" 舍温意识到，独特的、建筑大小的加州大学圣巴巴拉分校自由电子激光器可以提供加速和碰撞电子和空穴所需的强太赫兹电场，同时拥有非常精确的可调频率
该团队最初并不了解他们的数据，过了一段时间才认识到边带极化是重建波函数的关键
“我们为此挠了几年头，”舍温说，“在齐乐的帮助下，我们最终发现两极分化确实告诉了我们很多
" 现在，他们已经验证了他们熟悉的材料中布洛赫波函数的测量，该团队渴望将他们的技术应用于新材料和更奇特的准粒子
科斯特洛说:“我们希望我们能从拥有令人兴奋的新材料的团体那里获得一些兴趣，这些团体希望更多地了解布洛赫波函数。”
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