在量子理论中，波函数扮演着最为基础的角色，科学家一直想要直接观测一个体系的波函数，然而这一目标现在看起来依然显得飘渺。物理上的客观测量，例如原子的位置，电子的动量等等，都来自于将波函数投影在本征态上。然而，这样的投影只是显示了波函数表征性质的一部分，并丢失了一些独特的量子特性，比如量子态的叠加与纠缠。完整的量子态只能从很多次的测量中求取统计性的平均值而得到。如果我们能够有一个在实验室尺度下放大微观粒子量子态的工具，那么至少在潜在意义上，就可以对丢失的量子特性做出某种补偿，使得它们可以被观测到。更现实的说，这样一个量子显微镜技术，能够使原子分子物理实验技术取得长足的进步。
荷兰FOM原子分子物理研究所的Aneta Stodolna和她的同事近期在Physical Review Letters上发表了他们的工作。在报道中，他们描述了光致电离显微镜如何在直流电场下直接显示出了氢原子电子轨道的分立结构[1]。这个实验让人们能够有一个很独特的视角去观察少数几个有薛定谔方程解的简单原子系统，然而其实这个实验在30多年前就有科学家曾经建议过。为了将电子轨道可视化，科学家利用了静电透镜去放大出射波函数，且不干扰其量子相干性。研究人员向我们展示了他们所测量出来的干涉图样和氢原子波函数解析结果中的分立结构相吻合。他们的工作对建立量子探针技术以及提供一个人们研究复杂系统的基准。

通常，人们研究波函数成像的技术都是非直接的。这种方案涉及到怎样设计一系列弱探测，科学家必须小心翼翼的防止探测所带来的波函数塌缩[2]。然而另一种选择是强探测，这种探测基于与被探测系统全同制备的体系，从而重现量子态。例如，科研人员利用一系列不同基矢的测量，再通过层析过程将结果反演，从而绘出了光子场和其他场的完备量子态[3]。通常，层析成像反演技术会基于一系列的投影生成图像。在很多实验中，层析成像是非常有用的技术。例如，一个小组用高谐波远紫外线谱成功重现了N2分子的价电子波函数[4]，而另一个工作小组利用角分辨光电子发射谱技术在一个薄膜上实现了分子轨道的重现[5]。所有的这些实验，都是将很多对量子系统局部的观测结果结合起来完成波函数的重现。
更多直接观测的方法也同时存在，在这些方法里，波函数的各种元素都是在一次测量中显现的。例如科学家对在薄膜上的分子实施扫描隧道显微技术，已经得到了分子轨道的分立结构[6]。在最新近的工作中，科学家们观测了分子的多光子电离过程，其结果显示出了分子轨道具有节平面[7]。在这些以光致电离为基础的研究工作中，研究人员可以利用静电场或者激光技术来挑选和操纵分子，从而控制或引入电偶极子。然而，测量原子轨道的分立结构更具有挑战性，因为原子并不具有电偶极或者外部自由度。Stodolna和他的合作者们克服了这个困难，通过加入一个直流电场，他们制备了一个氢原子的量子化轴，并在测量之前将这个轴和氢原子轨道联合起来。这样一来，我们就可以直接观察横截轨道量子态，也就是轨道在电场垂直平面的投影。

在这个设计精巧的实验中，通过在一个二维探测器上测量单个干涉图样（见图1），Stodolna等人观察了氢原子的轨道密度。这样一来就避免了非直接方法中的复杂重现过程。实验小组将一束氢原子暴露在横向激光脉冲中，激光的频率可以令氢原子实现从2s到2p态的双光子跃迁。第二束调谐激光将氢原子激发到里德堡态上，在里德堡态上，电子的距离与原子核的距离十分远。通过调整激光的波长，科研人员可以控制其激发态的量子数，从而达到控制波函数节点的目的。激光脉冲被调制在激发主量子数n=30的波长上。
直流电场的存在使得里德堡电子的能量超过了经典电离阈，但却在自由场电离的能量之下。电子无法反向脱离静电场，但是在其他方向上可以看作自由粒子。出射态波函数的相位决定于其初速度的方向。一部分正对二维探测器行进的电子与另一部分远离探测器的电子发生干涉，从而在探测器上形成干涉条纹。Stodolna等人的工作向人们展示了确凿的证据，有理由相信他们观测到的干涉条纹很好的重现了氢原子轨道的分立结构。这样，光致电离显微镜就提供了人们用宏观观测仪器直接观察量子轨道特性的能力。

为了确证这一解释，科研人员将用来激发原子的激光器的频率调整到跃迁频率之外。在这一情况下，电子仍然是近似自由的粒子，但是得不到里德堡近束缚态轨道的分立结构。在非共振态的情况下，干涉条纹消失，取而代之的是各向同性的本底贡献。分立结构只有在共振情况下才出现，这一事实巩固了之前的解释，即干涉条纹是量子态选择性占据的结果。
这份在氢原子上的工作很清楚的表明了光致电离显微镜如何对电子轨道进行成像。与之对比，这一小组在之前的一项工作中表明，在多电子体系中，电子的轨道信息会被多电子效应影响从而变得模糊不清[8]。在未来的工作中，科学家需要搞清楚电子与电子之间的相互作用怎样影响光致电离显微镜。为了进一步探究其中的微小差别，科学家可能会引入磁场来对出射波函数进行微扰。在这之前，已经有科学家建议利用光致电离显微镜研究量子体系中的混沌过程[9]，以及Ahronov-Bohm效应[8]。更广泛的说，量子显微镜的发展可以对原子分子尺度的实验技术形成强有力的帮助，例如，科学家或许可以尝试将分子链化学键的形成可视化[10]。

以下为参考文献：
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1.A. S. Stodolna, A. Rouzée, F. Lépine, S. Cohen, F. Robicheaux, A. Gijsbertsen, J. H. Jungmann, C. Bordas, and M. J. J. Vrakking, “Hydrogen Atoms under Magnification: Direct Observation of the Nodal Structure of Stark States,” Phys. Rev. Lett. 110, 213001 (2013).
2.J. S. Lundeen, B. Sutherland, A. Patel, C. Stewart, and C. Bamber, “Direct Measurement of the Quantum Wavefunction,” Nature 474, 188 (2011).
3.A. I. Lvovsky and M. G. Raymer, “Continuous-Variable Optical Quantum-State Tomography,” Rev. Mod. Phys.81, 299 (2009).
4.J. Itatani, J. Levesque, D. Zeidler, H. Niikura, H. Pepin, J. C. Kieffer, P. B. Corkum, and D. M. Villeneuve, “Tomographic Imaging of Molecular Orbitals,”Nature432, 867 (2004).
5.P. Puschnig, S. Berkebile, A. J. Fleming, G. Koller, K. Emtsev, T. Seyller, J. D. Riley, C. Ambrosch-Draxl, F. P. Netzer, and M. G. Ramsey, “Reconstruction of Molecular Orbital Densities from Photoemission Data,”Science 326, 702 (2009).
6.J. Repp, G. Meyer, S. M. Stojković, A. Gourdon, and C. Joachim, “Molecules on Insulating Films: Scanning-Tunneling Microscopy Imaging of Individual Molecular Orbitals,” Phys. Rev. Lett. 94, 026803 (2005).
7.L. Holmegaard et al., “Photoelectron Angular Distributions from Strong-Field Ionization of Oriented Molecules,” Nature Phys. 6, 428 (2010).
8.F. Lépine, Ch. Bordas, C. Nicole, and M. J. J. Vrakking, “Atomic Photoionization Processes under Magnification,” Phys. Rev. A 70, 033417 (2004).
9.L. Wang, H. F. Yang, X. J. Liu, H. P. Liu, M. S. Zhan, and J. B. Delos, “Photoionization Microscopy of the Hydrogen Atom in Parallel Electric and Magnetic Fields,”Phys. Rev. A 82, 022514 (2010).
10.L. Grill, M. Dyer, L. Lafferentz, M. Persson, M. V. Peters, and S. Hecht, “Nano-Architectures by Covalent Assembly of Molecular Building Blocks,” Nature Nanotech. 2, 687 (2007).
译者： RichardMay 原作者：Christopher T. L. Smeenk -------------------------------------------------END--------------------------------------------------

目测外国科学家

加上电场 是不是变成电视机了