卡皮查-狄拉克（Kapitza-Dirac）效應用於顯示電子波的時間演變。這是科學史上最大的驚喜之一： 在大約100 年前的量子物理學早期，學者發現，構成我們物質的粒子總是表現得像波一樣。正如光可以在雙縫中散射並產生散射圖案一樣，電子也可以顯示干涉效應。 1933 年，兩位理論家Piotr Kapitza 和Paul Dirac 證明，電子束甚至會從靜止的光波中衍射出來（由於粒子的特性），因此波的特性會產生干涉效應。

超快卡皮查-狄拉克（Kapitza-Dirac）效應產生的隨時間變化的干涉條紋。一個電子波包暴露在兩個反向傳播的超短雷射脈衝下。從背部到正面的時間跨度為10 皮秒。

由法蘭克福歌德大學的萊因哈特-多爾納（Reinhard Dörner）教授領導的中德研究小組成功地利用這種卡皮查-狄拉克效應將電子波的時間演變（即電子的量子力學相位）可視化。研究人員現已在《科學》雜誌上發表了他們的研究成果。

多爾納說：「最初建造實驗裝置的是我們研究所的前博士研究員亞歷山大-哈同（Alexander Hartung）。他離開後，在法蘭克福團隊工作了4年的亞歷山大-馮-洪堡研究員康林得以利用它來測量隨時間變化的卡皮查-迪拉克效應。要做到這一點，還需要進一步發展理論描述，因為當時卡皮查和狄拉克並沒有具體考慮電子相的時間演化。”

在實驗中，法蘭克福的科學家們首先從相反的方向向氙氣發射了兩個超短雷射脈衝。在交叉點上，這些飛秒脈衝–飛秒是一秒的四千萬億分之一–產生了幾分之一秒的超強光場。這將電子從氙原子中撕裂出來，即電離了氙原子。不久之後，物理學家又向以這種方式釋放出來的電子發射了第二對短雷射脈衝，也在中心形成了駐波。這些脈衝稍微弱一些，沒有造成任何進一步的電離。不過，它們現在能夠與自由電子相互作用，可以藉助法蘭克福開發的COLTRIMS 反應顯微鏡進行觀察。

COLTRIMS 團隊，Reinhard Dörner（由左至右）、Markus Schöffler、Sina Jacob、Maksim Kunitski、Till Jahnke、Alexander Hartung、Sebastian Eckart。資料來源：歌德大學

“在交互作用點，有三種情況可能發生，”Dörner 說。 “要么電子不與光線發生相互作用，要么光線向左或向右散射。根據量子物理定律，這三種可能性加起來就是一定的概率，反映在電子的波函數中： 可以說，電子（以一定機率）可能所在的雲狀空間坍縮成了三維切片。在這裡，波函數的時間演變及其相位取決於電離與第二對雷射脈衝撞擊之間的時間間隔。”

“這為量子物理學帶來了許多令人興奮的應用。希望它能幫助我們追蹤電子如何在最短的時間內從量子粒子轉變為完全正常的粒子。我們已經計劃利用它來進一步了解不同粒子之間的糾纏，愛因斯坦稱之為’幽靈’，”Dörner 說。就像科學界經常做的那樣，對早已確立的理論進行一次又一次的測試在這裡也是值得的。

編譯自/ scitechdaily