Квантовые события не происходят мгновенно, и их время зависит от скрытой структуры самого материала. Фото: Shutterstock
«Концепция времени беспокоила философов и физиков на протяжении тысячелетий, и появление квантовой механики не упростило проблему», — говорит профессор Хьюго Дил, физик из EPFL. «Центральной проблемой является общая роль времени в квантовой механике, и особенно временной шкалы, связанной с квантовым переходом».
В мельчайших масштабах физические процессы разворачиваются с поразительной скоростью. Такие события, как туннелирование или переход электрона в новое энергетическое состояние после поглощения света, могут произойти всего за несколько десятков аттосекунд (10-18 секунд). Этот интервал настолько короток, что даже свет не преодолел бы за это время толщину небольшого вируса.
Почему так сложно измерить квантовое время
Отслеживание таких крошечных отрезков времени оказалось чрезвычайно сложной задачей. Любое внешнее устройство синхронизации рискует вмешаться в изучаемый хрупкий квантовый процесс и изменить его поведение. «Хотя Нобелевская премия по физике 2023 года показывает, что мы можем получить доступ к таким коротким временным отрезкам, использование такой внешней шкалы времени может привести к возникновению артефактов», — говорит Дил. «Эта проблема может быть решена с помощью методов квантовой интерференции, основанных на связи между накопленной фазой и временем».
Новый способ измерения времени без часов
Дил и его команда разработали метод, позволяющий полностью отказаться от использования внешних часов. Когда электроны поглощают фотон и испускаются из материала, они несут информацию, закодированную в их вращении. Этот спин меняется в зависимости от того, как происходит квантовый переход. Тщательно проанализировав эти изменения, исследователи смогли определить, как долго длится переход.
Как объясняет первый автор исследования Фэй Го (Fei Guo), «Эти эксперименты не требуют внешнего отсчета или часов и дают временную шкалу, необходимую для того, чтобы волновая функция электрона перешла из начального состояния в конечное при более высокой энергии поглощения фотона».
Как квантовая интерференция влияет на длительность
Когда свет возбуждает электрон, процесс не протекает по одному пути. Одновременно возможно несколько квантовых взаимодействий, и они интерферируют друг с другом. Эта интерференция оставляет четкий отпечаток на вращении испускаемого электрона. Изучив, как меняется структура спина при изменении энергии электрона, команда смогла рассчитать, сколько времени занимает переход.
Для проведения этих измерений исследователи использовали метод, известный как «фотоэмиссионная спектроскопия со спиновым и угловым разрешением» (SARPES). В этом методе интенсивный синхротронный свет попадает на материал, разгоняя его электроны до более высокой энергии и заставляя их покидать структуру материала. Затем ученые измеряют энергию, направление и спин испускаемых электронов.
Как атомная структура влияет на квантовое время
Команда испытала материалы с очень разным расположением атомов. Некоторые из них были полностью трехмерными, например, обычная медь. Другие, в том числе диселенид титана (tise₂) и дителлурид титана (tite₂), состоят из слабо связанных слоев, которые больше напоминают плоские листы. Теллурид меди (CuTe) имеет еще более простую атомную структуру, похожую на цепочку. Эти контрасты сделали материалы идеальными для изучения влияния геометрии на время.
Результаты выявили закономерность. Чем проще и разреженнее атомная структура материала, тем дольше длится квантовый переход. В трехмерной меди переход был чрезвычайно быстрым и занял около 26 аттосекунд.
В слоистых материалах TISE и tite этот же процесс замедлился до 140-175 аттосекунд. В CuTe, с его цепочечной структурой, переход превысил 200 аттосекунд. Эти результаты показывают, что форма материала в атомном масштабе сильно влияет на то, как быстро разворачивается квантовое событие, а структуры с более низкой симметрией приводят к увеличению времени перехода.
Что это значит для понимания квантового времени
«Помимо получения фундаментальной информации для понимания того, что определяет временную задержку фотоэмиссии, наши экспериментальные результаты дают дальнейшее представление о том, какие факторы влияют на время на квантовом уровне, в какой степени квантовые переходы можно считать мгновенными, и могут проложить путь к окончательному пониманию роли времени в квантовой механике», — объясняет Дил.
Помимо углубления нашего понимания времени в квантовой физике, эта работа предлагает новый инструмент для изучения поведения электронов в сложных материалах. Знание того, как долго длится квантовый переход, может помочь ученым создавать материалы с индивидуальными квантовыми свойствами и поддерживать будущие технологии, которые зависят от точного контроля квантовых состояний.
Другие авторы
- Лозаннский центр сверхбыстрой науки (LACUS)
- Институт Поля Шеррера
- Парижский университет имени Сая Сержи
- Университет Париж-Сакле
- Западночешский университет
- Токийский университет