量子事件的发生速度快得超乎想象，然而，在不干扰它们的情况下测量其发生时间，却是一项长期存在的挑战。

瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的物理学家雨果·迪尔（Hugo Dil）教授表示：“数千年来，时间概念一直困扰着哲学家和物理学家，而量子力学的出现并未使这个问题变得简单。”“核心问题在于时间在量子力学中的普遍作用，尤其是与量子跃迁相关联的时间尺度。”

在量子尺度下，事件以难以理解的速度发生。诸如量子隧穿效应，或电子吸收光子后跃迁至新能态等过程，仅需数十阿秒（10^-18秒）即可完成。这一时间跨度极为短暂，即便以光速行进，亦无法在相同时间内穿越一枚小型病毒的宽度。

测量超快量子事件的挑战

长久以来，捕捉如此短暂的时间间隔一直是个重大难题。任何外部计时装置都可能干扰正在测量的精密量子过程，进而可能改变测量结果。迪尔表示：“尽管2023年诺贝尔物理学奖表明我们能够观测到如此短暂的时间，但使用这种外部时间尺度可能会引发误差。”“而利用基于累积相位与时间之间关联的量子干涉方法，便可解决这一难题。”

无时钟量子时间测量法

迪尔及其同事如今已展示出一种方法，该方法完全无需借助外部时钟。当电子吸收光子并从物质中释放出来时，其自旋会携带微妙的信息。这种自旋会根据量子跃迁的展开方式而发生变化。通过分析这些变化，研究团队得以确定跃迁持续的时长。

正如该研究的第一作者郭飞（音译）所阐释的那样：“这些实验无需借助外部参照物或时钟，便能得出电子波函数在吸收光子后，从初始状态演变为能量更高的最终状态所需的时间尺度。”

量子干涉如何揭示时间间隔

当光激发电子时，该过程并非遵循单一路径，而是同时存在多种量子路径的可能性。这些路径相互干涉，而这种干涉现象在发射电子的自旋中留下了独特的印记。研究人员通过追踪这种自旋模式如何随电子能量变化，得以计算出跃迁过程本身的持续时间。

利用先进光谱学技术探测电子

为执行测量任务，研究团队采用了一种名为“自旋与角分辨光电子能谱”（SARPES）的方法。该方法利用高能同步辐射光照射材料，激发其电子跃迁至更高能级，并促使其逸出材料表面。随后，科学家对逸出电子的能量、运动方向及自旋状态进行精确测定。

原子结构如何塑造量子计时

研究人员对原子排列方式迥异的材料展开了研究。其中一些材料呈完全三维结构，例如普通铜。而另一些材料，包括二硒化钛（TiSe2）和二碲化钛（TiTe2），则由结合力较弱的层构成，这些层的行为更像平面薄片。碲化铜（CuTe）的结构更为简单，呈原子链状。这些差异使研究团队得以检验几何结构如何影响量子跃迁的时机。

阿秒测量中的清晰模式

测量结果显示出一个显著趋势：材料的结构越简化、对称性越低，量子跃迁所需的时间就越长。在三维铜结构中，这一跃迁过程极为迅速，仅持续约26阿秒。

在层状材料二硒化钛（TiSe₂）和二碲化钛（TiTe₂）中，同样的过程放缓至约140至175阿秒。而在具有链状结构的碲化铜（CuTe）中，这一转变过程耗时超过200阿秒。这些结果表明，材料的原子尺度结构对其量子事件的演化速度起着关键作用，结构越简单，转变所需时间越长。

这对量子物理和技术意味着什么

迪尔解释道：“我们的实验结果不仅为理解光发射中时间延迟的决定因素提供了关键信息，还进一步揭示了哪些因素会在量子层面影响时间、量子跃迁在多大程度上可被视为瞬时发生，并可能为最终理解时间在量子力学中的作用铺平道路。”

这一发现不仅解答了一个深奥的科学问题，还为研究人员探索电子在复杂材料中的行为提供了全新工具。精确掌握量子跃迁的持续时间，有助于科学家定制具备特定量子特性的材料，并为未来依赖量子态精确控制的技术提供支撑。

参考文献：《量子时间尺度对对称性的依赖》，作者：郭飞、德米特里·乌萨诺夫、爱德华多·B·格德斯、毛罗·范奇乌利、川口开洲、森 辽、近藤武、阿尔诺·马格雷、米凯莱·普平、J·雨果·迪尔，发表于2026年2月6日《牛顿》期刊。DOI编号：10.1016/j.newton.2025.100374