На квантовом уровне события происходят с немыслимой скоростью. Например, когда электрон под действием света переходит на более высокий энергетический уровень, все действие занимает всего несколько десятков аттосекунд — это миллиардная доля миллиардной доли секунды. За это время частицы света — фотоны — не успевают пройти даже расстояние, равное размеру вирусной клетки. Измерить столь краткие промежутки невероятно трудно: любое «вмешательство» прибора способно исказить сам процесс, который изучают специалисты.
«Мы можем регистрировать такие короткие интервалы, но внешняя шкала может создавать артефакты, — говорит руководитель работы, профессор Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) Хуго Диль. — Поэтому мы решили отказаться от часов и воспользоваться методами квантовой интерференции».
Новая методика основана на анализе спина электронов — маленьких магнитов, встроенных в каждую частицу. Когда электрон поглощает фотон и выбивается из материала, его спин изменяется в зависимости от того, как именно проходит переход. В этих едва уловимых изменениях закодирована информация о длительности процесса. Измеряя направление и энергию электронов с помощью спектроскопии фотоэмиссии, ученые вычисляют, сколько времени занял переход с одного уровня энергии на другой.
Ученые проверили теорию на нескольких материалах с разным строением — от трехмерной меди до слоистых титанселенида и титантеллурида, а также простого, цепочечного соединения медного теллурида. Картина оказалась удивительно закономерной: чем проще и менее симметрична атомная структура вещества, тем медленнее в нем происходят квантовые переходы. В меди они занимают около 26 аттосекунд, в слоистых кристаллах — 140−175 аттосекунд, а в цепочечных — свыше 200.
Авторы работы подчеркивают, что полученные ими результаты не только раскрывают, какие факторы влияют на «запаздывание» фотоэмиссии, но и приближают физиков к пониманию самой природы времени в квантовой теории. Новый метод поможет изучать поведение электронов в сложных материалах и создавать вещества с управляемыми квантовыми свойствами — то есть может стать еще одним шагом к технологиям будущего, которые будут опираться на точный контроль квантовых состояний.
Ранее физики разгадали квантовую загадку, которая десятилетиями ставила ученых в тупик и объединили две важные области квантовой физики, которые долгое время считались несовместимыми.