物理学家第一次窥见“量子幽灵”

波函数(the wave function)是一个用于预测量子行为的抽象概念,可以说是物理学家理解量子力学的基石。但这个基石本身并不是物理学家能够从字面上或哲学范畴内完全掌握的东西。波函数不是可以被握在手中或放在显微镜下的东西。并且令人困惑的是,它的一些性质似乎不是真实的。事实上,数学家会公然将它定义为虚拟的,比如像取负整数的平方根这样的得到虚数的过程看起来就很荒谬。但是虚数是证明波函数有充分能力预测现实中实验结果的重要部分。简而言之就是,如果一个波函数是“存在”的,那么它处在形而上学的数学和现实的物理学之间模糊难辨的十字路口上。

如今美国加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)的研究人员和他们的同事们在弥合这两个领域的研究中取得了长足的进步:他们第一次通过测量半导体材料对超快光脉冲的反应来重建波函数。该研究于2021年11月发表在《自然》杂志上,该团队的工作可能有助于将电子工程和量子材料设计带入一个理解精准完善和创新精细可控的新时代。

一些神秘的波函数为物理学家了解新机件内部的运作提供了最佳的信息。为了预测电子在材料内部移动的速度和它可以携带的能量,他们必须计算布洛赫波函数(Bloch wave function)——这个函数被物理学家费利克斯·布洛赫(Felix Bloch)于1929年设计出来,并以他的名字命名。“这对工程学的量子设备尤为重要,” 项目的共同研究者,加州大学圣巴巴拉分校物理系学生Joe Costello强调道,“如果你想要构建任何利用量子力学研发的设备,那么你需要非常了解波函数中的参数。”

包括波函数中作为相位的参数。虽然这个参数是一个虚数,但它对设计量子计算机至关重要。密歇根大学物理学家Mackillo Kira阅读了该研究的早期文稿,他不是这项工作的直接参与人,他说:“长期以来电子携带的能量被认为是所有电子产品的设计基础。但如今,有了量子信息技术,我们将会更进一步,最终获得这些波函数相位的参数。”

为了得到更好的进展,该团队使用了两个激光器和半导体材料砷化镓。他们的实验包括三个步骤:首先,他们用近红外激光脉冲撞击材料内部的电子。这些粒子得到额外的能量后,将开始快速穿过半导体。当每个带负电的电子开始运动,就会形成空穴,空穴就像电子的影子,与电子相同但带正电并随之移动。接下来,研究人员会使用另一个激光脉冲将空穴和电子分开,然后迅速让它们重新聚合,就像量子版本的彼得潘失而复得他的影子一样。当空穴和电子重新结合时,各自在单独移动时额外积累的能量会以一阵光束的形式释放出来。

十年前,一组由UCSB的Mark Sherwin领导的物理学家注意到这些光束的奇特之处:它们的性质莫名的和最初使粒子移动的激光脉冲的性质关联紧密。Sherwin和他的同事们意识到,半导体的电子对光的反应存在着重要但尚未发现的细微差别。“这是出乎意料的,”Sherwin回忆道,“我们决定进一步探索并系统地研究它。”在这项新工作中,Sherwin的团队成员,也是该研究的共同主要作者,博士后学者Qile Wu的计算结果证明,这种隐秘的相关性引发了我们的好奇,它可以用来重建半导体中空穴的布洛赫波函数。

通过测量光的偏振也就是光波传播时的振荡方向,我们可以找到被吸收的激光和被激发的光束的关系。在这个实验中激光的偏振影响了运动电子和它的“影子”(空穴)的波函数相位。在实验最后,电子和空穴重新聚合产生光束时,光束的偏振取决于两者的波函数相位。由于这些相位在物理学家的方程中通常表示为虚数而不是实数,因此将它们与真实且可测量的光的偏振相关联,这对吴和他的合作者来说是一个突破。斯坦福大学的物理学家Shambhu Ghimire并未参与这项工作,他强调了这项新研究的特点:它通过光来获取以前被视为纯数学的物理信息。他说:“这些基于光的方法有时可能很困难,或在概念上确实具有挑战性,但在大多数情况下,它们提供了对复数(波函数)的虚部的处理办法,而其他传统方法无法处理这些虚部。”此外,该团队设法从这些相同的极化测量中对整个布洛赫波函数进行逆向工程。

Ghimire进一步指出,UCSB研究人员使用的激光的种类比光的偏振要重要。他们使用了超快激光脉冲,用光击中电子的时间只有万亿分之一秒。固体中的电子倾向于撞击原子而不是不断地移动,因此,能迅速地控制它们,然后像分离缝合彼得潘和他的影子那样操控电子和空穴对该团队至关重要。

否则,在任何一个实验阶段,那些电子都可能会撞上作为障碍的原子,从而停止电子空穴的聚合。该研究另一位主要作者Seamus O'Hara和Sherwin小组的博士生将一部分技术优势归功于UCSB最先进的自由电子激光器。

但这项工作的影响可能远不止是对于专业设备和简单的半导体。吴的理论研究表明,利用半导体砷化镓,几乎不需要知道发射光的性质就可以完成布洛赫波函数的数学重建。然而,其他半导体材料可能需要更全面,但现在还未被完全攻克的知识。路易斯安那州立大学的物理学家Mette Gaarde没有参与这项研究,他说:“这项工作很有吸引力,因为它十分基础地证明了你可以做的事情,而且答案非常明确。这就意味着你有机会使用这个原理来了解更复杂的结构。”

UCSB团队已经在制定下一个雄心勃勃的计划。展望未来,科研人员想将他们的技术应用于研究材料中电子强烈的相互作用或者找到吸收激光后能激发比电子和空穴更奇特的粒子的材料。“我们正在寻找新材料。如果人们有想要实验的半导体,我们会很高兴尝试。”Costello说,他渴望有更多机会去窥探无形的波函数世界。 https://t.cn/R2WxdDX

【马星传】张潇文:站上领奖台前,曾经历人马分离
第一赛马网联合全国数百家专业马术俱乐部共同打造系列报道——【马星传】。一马君将深入全国各个俱乐部,与小骑手、家长和俱乐部一对一交谈,一起聊聊小骑手、家庭与马术的故事......本期小骑手由来自莱德嘉丽泽马术俱乐部的张潇文讲述。#马术# https://t.cn/A6JwtzDl

取一块土地、绘一份喜悦——风景画家匡科研的艺术观

“风景”成为观察者从“土地”中选出的一部分,如果你把它绘好就可以带走。艺术家取一块土地作为原生素材,通过这块土地进入你视线走进你的生活,也许你会回忆许多,悲欢离合你都会记起。曾经的欢乐时光,或不愿回忆的时光——亲人的逝去,朋友的离别,或许是一场战争,这块土地承载着太多。

《蓝》布面油画 140×150cm 2014年

这篇文章并不意图讨论一部风景艺术的历史,而是提一些探讨我们与风景主题之间的关系。我个人画了这么久的风景还是不想把风景孤立在艺术长河的纯理论研究中,我们由土地进入风景、由风景再进入艺术。要把这块特定的土地提升某些特点,削减和组织一些因素,使观者的眼睛可以延伸到一定的广度和深度,这是经过美学加工的。这个能够被人们携带的纪念品来记录我们的视觉体验。一旦这个概念进程开始,那么土地就成了风景。实际这已经告诉我们风景艺术并不是在自然中发生的,而是艺术家挪用的风景。正如上面所说的样子,那块原始的土地就成了艺术家表现的原始素材。

《海石》布面油画 80×100cm 2018年

当我们用心去消费一副风景画时,我们的专业人士在判断是不是一幅传世经典之作。对于非专业的人来说,在想象着一些与他们相关的东西。可无论怎样我们都隔着一个创造艺术的双手。艺术家和观者更多的是感觉和回忆。回忆一种看的到和没看到的东西,隐喻其中。这时人们会产生一种莫名其妙的辩证关系。这也证实了贡布里希(E.H.Gombrich)在《艺术与错觉》中所说的“天真纯洁的眼睛只是一个神话”。实际我们每一个看画的人都有一双有故事的后天的眼睛。风景画的观看也如此,需要一双后天的我眼睛,风景总是爱给有经历和有回忆的人看。

《雪山》布面油画 60×80cm 2014年

风景画的户外写生是在十八世纪后期和十九世纪初把艺术家从室内带到户外。但那时还是常常理解为从画室出发最终再回到画室中创作。这些在画室中产生的最终成品会出现在各个公共画廊和私人住宅的墙上。画廊可以作为更深层意义的景框。从社会意义来说,是处于更宽泛的文化背景中,并且受到政治和经济利益的操控。风景艺术品作为日常物质消费的优先地位,受到了艺术市场的影响。这种关系发生了微妙的变化。艺术家开始把自然材料——岩石、树木、土壤搬入画廊或美术馆的地板上。沃尔特·德·玛利亚(Walter De Maria,生于1935年)的作品《纽约泥土屋》(New York Earth Room)中堆积了250立码的泥土,深度接近两英寸,平铺在超过3600平方英尺的画廊地板上。这就是一种新的材料风景,你能闻到一种野性囚禁的绝望气息。我们的土地被动过了,之前我们只是取一块土地。在一篇“风景”的讽刺的注释中,它被认为是以最赤裸裸的原料形式表现出来的被框定和装箱的土地。这种艺术形式一直持续到现在,我们在许多的大型国内和国际展览中都能看到这一类原始材料的展品,只是他们的名字不叫“风景”,他们赋予作者新的个人概念,通过这些自然的灵性来表达自己的品质。但在这种艺术中确实来自一块土地的移动。最符合的莫过于我们熟悉的安塞姆·基弗(Anselm Kiefer),他的一件令人不安的作品的理念,是他在1977年和1978年出版的一系列书籍《边疆的荒原》沙子蔓延到了书页的边缘,一点一点的扩张开来,直到淹没了风景的图像。我认为这么好的风景书籍,是对风景物质化最好的阐述。

《瑞》布面油画 60×80cm 2014年

到此风景的革命并没有停止,到了二十世纪六十年代中期开始。大地艺术开始对“风景”做出了进一步的思考。对风景的传统模仿形式发起质疑,艺术和自然被艺术家认为的分离状态施加了压力。艺术又回到了土地,同时风景也回到了土地。这是一种很奇特的循环,我们从自然中取一块土地到再回到土地中,中间经历了两百多年,这是一场人类思维变化的里程碑。

《叶》布面油画 140×150cm 2016年

我们记录了思想、身体对风景野生环境的抗击,创建了一个一个的幻想乌托邦的风景梦空间。为了让风景画更不像风景画。至今依然保留的绘画形式,更趋于幻想,其中我的好多风景画作品就趋于这种幻想境界,就好像不是单单取了一块土地而是在这块土地的空中,进入这个空间时你就会有许多幻想,因为和我们平时视线能接触到的范围发生了改变。自然就会幻想出你自己想要的风景境界。风景画本身就是一种抽象的具体化,这就是为什么好多画风景画的人更容易走向抽象的原因。我并不否认这一点,我在画画作时非常清楚这一点,所以我很快会走入这样的一个境界,许多过于繁琐的形态都会被我归一,以专心的走入这种境界。

《云雨巫山》布面油画 80×100cm 2018年

无论怎样?我们的艺术还是要表达时代性和中国特色性,这也是能让我们非常容易入画的关键因素。每一批的风景画研究都是经过了前一批风景画的沉淀,也许时代不认可,可还是不能停止,我一直认为艺术家更多的需要是勇气和态度。中国的风景画艺术大军在浩浩荡荡的前行着。我们应该作为勇于改造的一支,好好研读风景艺术,把这块土地取好。

  《岩》布面油画 60×120cm 2018年

克拉克《自然风景》的概括告诉我们:“除了爱以外。能够得到全人类认同的感情也许就只有从美好景色中感受到快乐了”。

2021年5月3日于开封回京途中

艺术家简介

匡科研

当代艺术家,北京央美时代环境艺术设计公司创始⼈,北京⼤学⽣优秀创业者,中央美术学院在校⽣优秀作品⼀等奖获得者。曾任央美培训中⼼教学主管。获得中央美术学院和清华美术学院及中国传媒⼤学全国第三的合格证。设计作品多次被政府采纳并得到国家版权中心认可和资金支持。同时擅⻓研发⼉童科技美术智能课,引导孩⼦发散性思维,爱上⽣活,爱上科技。
主要作品有影像《背后的故事》,油画《侵蚀》,壁画《敦煌莫高窟壁画临摹本》,⼯笔⼩写意《⽔浒叶⼦》,版画《丢勒的童话世界》,⻛景画百余张。毕业后⼜对当代实验艺术做了系统的研究。包括中国古代文化,⻄⽅古典油画,当代艺术史,当代艺术概论,当代装置影像技术等。组织参加过四季艺术节的拍卖活动。三⾥屯艺术市集选拔,国贸艺术品交易的导览员等。


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