回聲，即由於波反射回聽者而重複或混響的聲音，通常在幾個物理系統中發生。在物理學研究中，回波通常被用來消除系統與環境相互作用引起的去相效應，以及揭示某些物體的固有屬性。魏茨曼科學研究所和華東師範大學(ECNU)的研究人員，通過實驗觀察到單個孤立分子中的量子波包回聲。其研究成果發表在《自然物理學》期刊上，可能會為探測分子中超快的分子內過程引入新工具。

開展這項研究的研究人員之一伊利亞·阿弗巴克赫(Ilya Averbukh)教授說：2017年魏茲曼研究所的基布茨·艾因蓋迪(Kibbutz Ein Gedi)組織了一個關於非線性光學的研討會，期間，我們與中國同事進行了一次討論，得出了這項研究的結果，此前我們與上海以及第戎勃艮第大學的一個法國團隊，進行了持續成功的合作，專注於分子旋轉中的回聲。Averbukh和同事們最初進行的理論分析表明：

在分子氣體中觀察到的旋轉回波應該與分子振動動力學相對應，這一預測後來得到了實驗證實。然而開始進行實驗時，研究人員就意識到，華東師範大學使用的測量系統，也可以在極其稀薄的氣體中觀察到所謂的“回聲效應”，甚至可能是在單個分子中。事實上，華東師範大學研究人員使用的裝置，能夠檢測到單個分子的訊號，一次一個。當意識到這一點後，研究小組開始研究單個分子中的量子波包回聲。

實驗中使用的分子是振動冷卻的，因此所有分子與鐳射場的相互作用，都是從相同的初始狀態開始，並受量子力學定律的支配。通常，回聲出現在包含許多自旋、原子或分子的系綜中，這些自旋、原子或分子的性質略有分散。在單分子情況下，所需的‘不確定性’是由量子力學引入，雖然所有分子都是從相同的初始態開始，它們被完全相同的鐳射場激發，但在激發後的狀態並不完全清楚，分子存在於多個量子振動態的‘疊加’中。

Averbukh和同事們研究的效應與1965年諾貝爾物理學獎獲得者理查德·費曼(Richard Feynman)在一項著名思維實驗中介紹的結果相似。在這項“格丹肯實驗”中，費曼考慮通過兩個間隔很近的狹縫逐個傳送電子，並從這些狹縫後面的螢幕上收集訊號。如果沒有引入額外的測量，量子力學定律將“阻止”研究人員知道每個單獨的電子通過哪個狹縫。結果，雖然個別電子被隨機散佈在螢幕周圍。

但當實驗重複多次時，個別在螢幕上的點選形成了由這種“量子不確定性”造成的干涉圖案。在新研究的情況下，量子干涉發生在每個單獨的分子內部，它在時域而不是規則空間中表現出來。從某種意義上說，新研究呈現了費曼思維實驗的分子內時間分辨版本。在進行的實驗中，用飛秒和Angstrom解析度可視化了孤立單分子中量子波包回波的時空動力學。為了做到這一點，研究人員使用了華東師範大學研究小組在超高真空室中設計符合的探測技術。

華東師範大學領導團隊進行實驗的吳健教授說：分子與鐳射脈衝相互作用，一次一個，並且是單獨測量的。類似於‘單粒子’干涉實驗，例如單電子或單光子通過雙縫，在這裡，測量被重複多次，直到單分子回波的概率分佈在空間和時間上清晰可見。通過脈衝激發分子中的振動波，研究人員能夠觀察到它們隨時間的振盪和彌散。這使得能夠確定分子中回聲形成背後的兩個關鍵機制，即斯塔克誘導的分子勢能振動和在核空間分佈中產生耗盡誘導的“空洞”。

觀察到來自單個分子的回聲，是一種不同尋常的結果。以前的大多數研究都集中在分子不均勻分佈中出現的回聲，其中回聲通常被用來消除不同分子之間的個體差異。另一方面，目前這項研究背後的團隊，能夠內在地探測單個分子的內部屬性，收集有趣的新結果。開展這項研究的另一位研究人員葉海姆·普賴爾(Yehiam Prior)教授說：我們對單分子的實驗加入了少量相關實驗，如單電子、單原子或單光子的干擾(例如雙縫Young實驗)。

因此，它們為量子力學中波粒二象性的基本元素提供了新視角。到目前為止，魏茨曼科學研究所和華東師範大學的科學家們，已經在單個小分子上進行了實驗。然而，在未來，他們的程式原則上可以用來研究具有許多內部自由度較大物體中的回聲，從而能夠研究孤立分子中的這些內部自由度。此外，其研究發現可能會為開發更有效的工具，來探測不同分子中的特定過程鋪平道路。

參考期刊《自然物理學》

DOI: 10.1038/s41567-019-0762-7

部分圖片：華東師範大學新聞中心​