Физики впервые измерили время квантовых процессов

Недавнее исследование команды Хьюго Дила из Швейцарского федерального политехнического университета в Лозанне (EPFL), опубликованное в журнале Newton, предлагает свежий способ понять, сколько времени занимают квантовые события. 

Почему время в квантовом мире так ускользает

Философы и ученые веками ломали голову над природой времени, а квантовая механика только усложнила задачу. На микроуровне события вроде прыжка электрона на новый энергетический уровень после поглощения света длятся считанные аттосекунды — это одна миллиардная от миллиардной доли секунды (10⁻¹⁸ с). За такой миг свет не успеет пересечь даже крошечный вирус.

«Концепция времени ставила в тупик философов и физиков на протяжении тысячелетий, и появление квантовой механики не упростило эту проблему. Центральная проблема заключается в общей роли времени в квантовой механике, и особенно в масштабе времени, связанном с квантовым переходом», — отмечает профессор Дил. 

Отслеживать такие мгновения непросто, потому что любой прибор может вмешаться в хрупкий процесс и исказить результат. Нобелевская премия по физике 2023 года отметила прорыв в фиксации аттосекунд, но внешние часы все равно рискуют добавить помех. Дил подчеркивает, что квантовая интерференция — когда несколько путей события накладываются, как волны в воде, — помогает обойти эту ловушку, используя фазу волны как внутренний счетчик времени.

Как измерили время без часов

Команда Дила придумала подход, где время вычисляют по спину электрона — его внутреннему угловому моменту, похожему на вращение волчка. Когда свет выбивает электрон из материала, спин несет отпечаток процесса. Анализируя эти изменения, ученые определяют длительность перехода без посторонних инструментов.

«Эти эксперименты не требуют внешнего эталона или часов и позволяют получить временную шкалу, необходимую для эволюции волновой функции электрона из начального состояния в конечное состояние с более высокой энергией при поглощении фотона», — объясняет первый автор Фэй Го.

Свет возбуждает электрон не по одной дороге, а по нескольким квантовым путям сразу, и их пересечение оставляет след в спине. Чтобы поймать это, использовали SARPES — технику, где мощный синхротронный свет бьет по материалу, электроны вылетают, а ученые измеряют их энергию, направление и спин. 

Физики протестировали материалы с разной внутренней структурой атомов: обычную объемную медь, где все трехмерно и плотно упаковано, слоистые соединения титана — диселенид и дителлурид, похожие на стопку тонких листов, и цепочечный теллурид меди, где атомы выстроены почти в одну линию, как нити. Оказалось, что чем проще и менее симметрична структура — от объемной к плоской и цепочечной, — тем дольше длится квантовый переход электрона. В меди прыжок занял всего около 26 аттосекунд, в слоистых материалах — уже 140–175 аттосекунд, а в цепочечном теллуриде меди — больше 200 аттосекунд. Получается, в более «организованных» и симметричных кристаллах электрон перескакивает быстро и уверенно, а в упрощенных, «размазанных» структурах процесс заметно затягивается.

Значение для науки и технологий

«Помимо чисто фундаментальных знаний о том, что именно определяет задержку времени при вылете электрона под действием света, наши результаты показывают, какие факторы реально влияют на скорость квантовых процессов, насколько переходы можно считать почти мгновенными и как в целом устроено время в квантовой механике», — подводит итог профессор Дил.

Это не только углубляет наше понимание квантового мира, но и дает ученым новый инструмент, чтобы лучше изучать поведение электронов в сложных материалах. В перспективе такие знания помогут создавать вещества и устройства для будущих квантовых технологий — от сверхбыстрых компьютеров до новых сенсоров и материалов с заданными свойствами.