Понятие времени тысячелетиями занимало умы философов и физиков, а появление квантовой механики лишь усложнило эту загадку. По словам профессора физики швейцарской политехнической школы Лозанны (EPFL) Хьюго Диля, «центральной проблемой остается роль времени в квантовой механике и особенно временной масштаб, связанный с квантовым переходом». На микроуровне физические процессы разворачиваются с ошеломляющей скоростью – события вроде туннелирования или перехода электрона на новый энергетический уровень могут занимать всего несколько десятков аттосекунд. Этот интервал настолько мал, что за это время свет не успел бы пересечь даже небольшой вирус.
Отслеживание столь коротких отрезков времени долгое время оставалось чрезвычайно сложной задачей. Любое внешнее измерительное устройство рискует вмешаться в хрупкий квантовый процесс и изменить его поведение. «Хотя Нобелевская премия по физике 2023 года показала, что мы можем получить доступ к таким коротким временным интервалам, использование внешнего измерителя времени рискует привнести искажения», – говорит Диль. Эту проблему удалось решить с помощью методов квантовой интерференции, основанных на связи между накопленной фазой частицы и временем.
Команда профессора Диля разработала метод, который полностью исключает использование внешних «часов». Вместо этого ученые использовали внутреннее свойство самого электрона – его спин. Когда электрон поглощает фотон и испускается из материала, его спин несет в себе закодированную информацию о том, как именно происходил квантовый переход. Анализируя изменения спина, исследователи смогли точно определить, сколько времени занял этот процесс. Как объясняет первый автор исследования Фэй Го, «эти эксперименты не требуют внешнего эталона или часов и позволяют определить время, необходимое для эволюции волновой функции электрона из начального состояния в конечное при поглощении фотона».
Когда свет возбуждает электрон, процесс не идет по одному-единственному пути – одновременно существует множество квантовых траекторий, которые интерферируют друг с другом. Эта интерференция оставляет четкий след в спине испускаемого электрона. Изучая, как меняется картина спина в зависимости от энергии электрона, команда смогла вычислить продолжительность перехода. Для измерений использовался метод спин- и угловой фотоэмиссионной спектроскопии (SARPES), в котором интенсивный пучок синхротронного света ударяет по материалу, выбивая из него электроны. Затем ученые анализируют энергию, направление и спин этих электронов.
Исследователи протестировали материалы с совершенно разной атомной структурой: обычную медь с трехмерной решеткой, диселенид титана (TiSe₂) и дителлурид титана (TiTe₂) со слоистой, двумерной структурой, а также теллурид меди (CuTe) с еще более простой, цепочечной структурой. Результаты выявили четкую закономерность – чем проще и «ниже» размерность атомной структуры материала, тем дольше длился квантовый переход. В трехмерной меди он оказался сверхбыстрым, заняв около 26 аттосекунд. В слоистых материалах процесс замедлился до 140–175 аттосекунд, а в цепочечном CuTe превысил 200 аттосекунд. Эти данные показывают, что геометрия на атомном уровне напрямую влияет на скорость квантовых событий.
«Помимо фундаментальной информации о том, что определяет временную задержку в фотоэмиссии, наши результаты дают представление о факторах, влияющих на время на квантовом уровне, – объясняет Диль. – Они помогают понять, в какой степени квантовые переходы можно считать мгновенными, и могут проложить путь к окончательному пониманию роли времени в квантовой механике». Помимо углубления фундаментальных знаний, эта работа предлагает новый инструмент для изучения поведения электронов в сложных материалах, что в будущем поможет создавать материалы с заданными квантовыми свойствами и разрабатывать технологии, основанные на точном управлении квантовыми состояниями.
