Международная группа физиков экспериментально доказала, что невозможно одновременно с неограниченной точностью определить положение электрона и момент времени, когда с ним происходит то или иное событие. Это фундаментальное ограничение, названное «пространственно-временным пределом», дополняет известный принцип неопределенности Гейзенберга. Открытие может определить будущее сверхбыстрой электроники и квантовых технологий.
Исследование провели ученые из Регенсбургского центра сверхбыстрой наноскопии (RUN) и Института Макса Планка в Гамбурге. Они использовали новую лазерную систему, чтобы наблюдать за движением отдельных электронов в аттосекундном масштабе времени. В ходе эксперимента сверхкороткие лазерные импульсы, направленные на острый металлический зонд, заставляли электроны перемещаться на серебряную поверхность, расположенную в нескольких атомных диаметрах от него.
Электроны преодолевали зазор не как классические частицы, а как квантовые волны, проходя сквозь энергетический барьер – этот эффект известен как квантовое туннелирование. Используя два лазерных импульса с точно контролируемым интервалом, физики зафиксировали этот процесс. Компьютерное моделирование, подтвердившее результаты эксперимента, выявило еще одну деталь: движение электронов отставало от воздействия светового поля примерно на 500 аттосекунд.
Главным открытием стала взаимосвязь между временной точностью и пространственным распределением электрона. Ученые установили, что чем точнее определяется момент движения частицы, тем сильнее «расплывается» в пространстве ее волновой пакет. Иными словами, попытка сфокусироваться на времени события неизбежно приводит к потере определенности в его местоположении.
Это открытие не только вносит вклад в фундаментальную науку, но и закладывает основу для новых технологий. Управление электронными волновыми пакетами с такой точностью позволит в будущем запускать химические реакции и наблюдать за ними на молекулярном уровне. В долгосрочной перспективе на основе этого принципа можно будет создавать электронные устройства и системы квантовых вычислений, работающие в сотни тысяч раз быстрее современной КМОП-технологии.
