Измерение времени, за которое происходят квантовые процессы, такие как переход электрона на другой энергетический уровень, долгое время оставалось огромной проблемой для физиков. Эти события длятся всего десятки аттосекунд — невообразимо короткие промежутки времени, за которые свет не успевает пройти даже через мельчайший вирус. Традиционные методы с использованием внешних "часов" искажают сам изучаемый хрупкий квантовый процесс, что не позволяет получить точные данные.
Группа физиков под руководством профессора Уго Дила из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) разработала принципиально новый метод, который полностью избегает внешних часов. Вместо этого ученые используют информацию, закодированную в спине — внутреннем квантовом свойстве электрона. Спин представляет собой внутренний квантовый момент импульса, измеряемый в единицах постоянной Планка. Это фундаментальное свойство, возникающее из релятивистской квантовой механики и проявляющееся в магнитных эффектах, не имеет прямого классического аналога, подобного вращению макроскопического объекта. Когда электрон поглощает фотон и вылетает из материала, его спин меняется в зависимости от того, как именно протекал квантовый переход.
Метод основан на явлении квантовой интерференции. При поглощении света электрон может переходить в возбужденное состояние не одним, а несколькими "путями" одновременно. Эти пути интерферируют друг с другом, оставляя четкий отпечаток в спине вылетающего электрона. Исследователи использовали сложную экспериментальную технику — спиновую и угловую фотоэмиссионную спектроскопию (SARPES), — которая позволяет с высокой точностью измерять энергию, направление и спин электронов, выбитых из материала мощным синхротронным излучением.
Чтобы понять, как геометрия материала влияет на скорость квантовых событий, ученые провели эксперименты на веществах с разной атомной структурой. Они исследовали объемную медь, слоистые материалы (диселенид и дителлурид титана), которые ведут себя как плоские листы, и теллурид меди с цепочечной структурой. Результаты выявили четкую закономерность: чем проще и менее симметрична атомная структура материала, тем больше времени требуется для завершения квантового перехода.
Конкретные измерения показали, что в трехмерной меди переход занимает всего около 26 аттосекунд. В слоистых материалах TiSe₂ и TiTe₂ тот же процесс замедляется до 140–175 аттосекунд. А в теллуриде меди с его цепочечной структурой длительность перехода превысила 200 аттосекунд. Это наглядно демонстрирует, что форма материала на атомном уровне напрямую диктует скорость квантовых процессов.
Это открытие имеет двойное значение. С фундаментальной точки зрения оно приближает науку к пониманию одной из главных загадок — роли времени в квантовой механике. С практической стороны новый метод дает мощный инструмент для изучения электронов в сложных материалах. Знание точного времени квантовых переходов открывает путь к проектированию материалов с заранее заданными свойствами. Такие материалы, как слоистый диселенид титана, уже используются в транзисторах и фотодетекторах, а цепочечный теллурид меди — в сверхпроводниках и наноэлектронике. Оптимизация быстродействия, энергоэффективности и управление переключением состояний в памяти или логических схемах на основе этих знаний позволит значительно улучшить производительность и стабильность технологий будущего, включая квантовые компьютеры и сверхбыструю электронику.
Источник: Physicists discover what controls the speed of quantum time