Физики из Германии впервые проследили в реальном времени, как электроны перепрыгивают через запрещённые энергетические зоны в графене под действием мощного лазерного поля. Учёные из университетов Регенсбурга и Марбурга, а также Исследовательского центра Юлиха опубликовали результаты своей работы в журнале Nature.
В твёрдых телах, включая полупроводники, электроны занимают строго определённые диапазоны энергий – энергетические зоны. Промежутки между ними считают запрещёнными: в обычных условиях частицы не могут там задерживаться. Однако когда исследователи облучили графен мощными световыми импульсами, электрическое поле разогнало электроны, и часть из них мгновенно перешла из одной зоны в другую, миновав промежуточные состояния. Физики давно предполагали, что такие квантовые скачки – переходы Ландау – Зенера – Майораны – играют важную роль в сверхбыстрой полупроводниковой электронике, но до сих пор не могли зафиксировать сам момент перехода.
Чтобы заснять этот процесс, команда объединила сверхбыстрые лазеры с фотоэмиссионным импульсным микроскопом. В отличие от обычного микроскопа, этот прибор не увеличивает поверхность образца, а регистрирует энергию и траекторию сразу множества электронов. По этим данным учёные строят подробные карты, показывающие, как частицы распределяются по энергетическим состояниям. «Если хочешь узнать, кто победил в гонке, нужно следить за всеми участниками, – объясняет первый автор статьи Винсент Эггерс. – Точно так же нам требовалось одновременно наблюдать за как можно большим числом электронов, чтобы поймать те, которые переходят в другое состояние прямо в движении».
Труднее всего оказалось совместить такие измерения с быстро колеблющимися световыми полями: электроны приходилось одновременно разгонять и фиксировать, как меняются их энергия и скорость. По словам руководителя группы Руперта Хубера, команда готовила эксперимент много лет, но теперь способна в реальном времени отслеживать, как электроны перемещаются по всему энергетическому ландшафту твёрдого тела. Соавтор работы Ульрих Хёфер отметил, что увидеть фундаментальный квантовый процесс удалось уже в первых опытах, во многом благодаря качественным образцам.
Ультрачистый графен толщиной в один атом вырастили в Юлихе. Как подчеркнул сотрудник центра Штефан Тауц, кристаллическая решётка материала должна быть почти идеальной на атомарном уровне, чтобы примеси не искажали тонкую квантовую динамику. Кроме того, физики использовали особый «повёрнутый» графен – фирменную разработку Юлиха, которая делает квантовые эффекты особенно чёткими. При достаточно сильных световых полях электроны преодолевали запрещённую зону с вероятностью до 100 процентов. Это отличает переходы Ландау – Зенера – Майораны от обычного квантового туннелирования, когда частицы проникают сквозь барьер в физическом пространстве: здесь всё решает скорость, с которой электрическое поле подталкивает электрон к энергетическому разрыву.
Эксперимент также показал, что именно мешает электронам двигаться предсказуемо. Сначала частицы разгоняются упорядоченно, но постепенно начинают взаимодействовать с кристаллической решёткой материала, что нарушает их согласованный поток. Понимание этого механизма поможет разработать электронику будущего, где вместо электрического напряжения электронами будут управлять сверхбыстрые колебания света. Соавтор исследования Джакомо Инцани из Регенсбургского университета добавил, что новый метод подходит и для других квантовых материалов: он позволит изучать скрытые прежде процессы и избирательно менять электронные свойства материалов с помощью лазера.
