Ученые разработали метод измерения квантовых процессов в аттосекундах без внешних часов
Международная группа исследователей совершила прорыв в измерении времени на квантовом уровне, разработав принципиально новый метод, который позволяет определять длительность сверхкоротких событий, таких как переход электрона между энергетическими состояниями, без использования внешних систем отсчета времени. Работа открывает путь к пониманию фундаментальной роли времени в квантовой механике.
Как объяснил профессор Федеральной политехнической школы Лозанны Хьюго Диль, центральной проблемой является общая роль времени в квантовой механике, особенно временные масштабы, связанные с квантовым переходом. Такие процессы, как туннелирование или поглощение фотона электроном, могут занимать всего десятки аттосекунд (одна миллиардная миллиардной части секунды). Существующие же методы измерения, использующие внешние «часы», могут искажать само явление.
Вместо этого ученые предложили использовать внутренние временные шкалы, генерируемые самими квантовыми процессами. Принцип основан на том, что когда свет возбуждает электрон, он может следовать одновременно по нескольким квантовым «маршрутам». Эти пути интерферируют друг с другом, и конкретная картина этой интерференции проявляется в спине испускаемого электрона. Измеряя спиновую структуру, можно восстановить информацию о том, как разворачивался лежащий в основе квантовый процесс, и вывести время, необходимое для перехода.
Для проверки концепции команда применила метод спиново-разрешенной фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (SARPES). В эксперименте исследовались материалы с разной атомной структурой: трехмерная медь, квазидвумерные диселенид и дителлурид титана, а также теллурид меди с цепочечной структурой. Результаты показали четкую закономерность: чем проще и менее симметрична структура материала, тем медленнее происходит квантовый переход. В меди он длился около 26 аттосекунд, в слоистых материалах — 140-175 аттосекунд, а в цепочечном теллуриде меди — более 200 аттосекунд.
По словам ведущего автора исследования Фэй Го, этот подход дает физикам новый инструмент для понимания поведения времени в квантовых процессах, поскольку не требует внешних часов и непосредственно показывает временную шкалу эволюции волновой функции электрона. Потенциальные применения метода включают в себя проектирование материалов с заданными квантовыми свойствами и улучшение технологий, основанных на точном контроле квантовых состояний.
Как отметил профессор Диль, работа не только дает фундаментальную информацию для понимания временных задержек при фотоэмиссии, но и приближает науку к ответу на вопрос, в какой степени квантовые переходы можно считать мгновенными, и к окончательному пониманию роли времени в квантовой механике.
Исследование было в журнале Newton.