1926年，薛定谔在寫給洛倫茲的信中直言：“薛定谔方程中的波函數ψ是一個複數，此處令人費解、甚至應直接予以反對，波函數ψ從根本上說必然是一個實函數”。這番表述，恰好道出了他對波函數裡複數“必要性”的深層疑慮。而這一質疑，也由此揭開了量子力學中“複數的物理本質”長期争議的序幕，其中量子隧穿時間問題，是百年來困擾學界的核心謎題之一。近日，365英国上市官网在线聯合吉林大學等單位的科研團隊在《Ultrafast Science》上發表重磅研究成果，通過亞勢壘相互作用分析與複時間軌迹的費曼路徑積分模拟，首次清晰揭示了量子隧穿的動态機制，為薛定谔當年的困惑提供了全新解答。

在隧穿動力學研究領域，隧穿時間的概念至今仍迷霧重重。關于粒子隧穿勢壘是否需要消耗時間的争論從未停歇，隧穿時間這一物理量的定義，始終存在争議性。事實上，針對隧穿時間的探讨最早可追溯至Condon等人關于量子隧穿過程中相速度的研究[Rev. Mod. Phys. 3, 43 (1931)]；此後MacColl等人在後續分析中進一步指出，粒子隧穿勢壘的過程幾乎可以瞬時完成[Phys. Rev. 40, 621 (1932)]。自此以後，學界相繼提出了多種隧穿時間的定義方式，這恰恰印證了該物理概念的複雜性，也折射出相關研究争議的延續性。最近的氫原子阿秒鐘實驗通過與含時薛定谔方程的數值計算結果對比，證實實驗中探測到的電子角偏移現象來源于隧穿過程後的長程庫侖相互作用；據此，該研究提出電子隧穿過程不存在可測量的“隧穿時間”這一結論 [Nature 568, 75 (2019)]。與之形成對照的是，拉莫爾鐘實驗的研究則揭示原子隧穿并非瞬時發生的過程，而是存在可直接定量測量的非零隧穿時間。值得注意的是，該隧穿時間與入射電子能量之間呈現出反常的依賴關系：在深隧穿區域内，随着入射能量的增大，隧穿時間反而表現出遞增趨勢 [Nature 583, 529 (2020)]。量子隧穿物理實質是相同的，那為什麼不同尺度粒子的“隧穿時間”測量結果相互矛盾?

近年，楊玮楓教授團隊開發了改進的庫侖修正強場近似以及大規模電子軌道加權統計時間分析等方法，與不同實驗團隊合作系統的研究了阿秒電子隧穿動力學：他們提取了隧穿電子在分子共振态阿秒延遲時間 [PRL 129, 173201 (2022)]；研究了電子在相鄰原子間隧穿的現象，發現了相鄰離子的庫侖勢對電子隧穿路徑具有顯著影響 [Light: Science & Applications 13, 18 (2024)]；及發現了原子非絕熱隧穿觸發的庫侖聚焦會使最可幾發射角随能量反常增大，從而修正阿秒角條紋中常用的時間與角度一一映射假設 [Light: Science & Applications 13, 250 (2024)]。在厘清了隧穿後連續态傳播階段的關鍵機制之後，團隊進一步把視角推進到經典禁止區内部，結合費曼路徑積分的複時間軌迹模拟表明：勢壘下的庫侖相互作用會改變隧穿路徑在虛時間維度的演化概率，這種虛時間維度的演化調制，最終會改變隧穿出口處電子波包的概率分布。進而發現，在經典阈值以下，電子能量越高，電子阿秒鐘提取的隧穿時間反而越長；而在經典阈值以上，電子能量越高，隧穿時間則越短，這一能量依賴趨勢與原子隧穿時間的實驗觀測規律一緻 [Nature 583, 529 (2020)]，從而為勢壘下隧穿電子的虛時間演化動力學提供了直觀的物理圖像。

該項工作由365英国上市官网在线劉希望副教授、吉林大學李孝開副研究員、365英国上市官网在线博士生林奕崇為共同一作，365英国上市官网在线楊玮楓教授、宋曉紅教授以及吉林大學丁大軍教授、王春成教授為共同通訊作者。該項工作得到了國家自然科學基金重點項目、國家自然科學基金面上項目及海南省科技人才等項目的資助。

文章鍊接: https://spj.science.org/doi/10.34133/ultrafastscience.0122

《Ultrafast Science》是中國科學院主管、中國科學院西安光學精密機械研究所主辦的中國科技期刊卓越行動計劃高起點新刊、Science合作期刊，影響因子9.9。該期刊以刊載超快科學領域新理論、新技術、新進展為核心，報道範圍包括阿秒光源、超快激光與應用、超快成像、超快光譜、超快材料和探測器等方向。