Квантовая физика почти сто лет утверждала, что переход электрона между состояниями происходит мгновенно, — и почти сто лет никто не мог это ни подтвердить, ни опровергнуть. Не потому что не хотели, а потому что «мгновенно» — удобная отмазка для всего, что не получается засечь секундомером. Но в 2025 году группа физиков из Швейцарии и Японии решила, что хватит верить на слово учебникам, и взяла дело в свои руки. Причём буквально — без часов.
Команда под руководством Фэя Го и Хуго Диля из EPFL опубликовала работу, в которой экспериментально измерила продолжительность квантового перехода в фотоэмиссии — процессе, при котором фотон выбивает электрон из твёрдого тела. И оказалось, что этот «мгновенный» процесс длится от 26 до 209 аттосекунд — в зависимости от того, насколько симметричен кристалл. Для контекста: одна аттосекунда соотносится с секундой примерно так же, как секунда — с возрастом Вселенной. Вдумайтесь: мы говорим о временных масштабах настолько крошечных, что свет за это время не успевает пролететь даже от одного атома до соседнего. И тем не менее физики умудрились эту длительность не просто зафиксировать, а связать её с фундаментальным свойством материи — симметрией.
«Мгновенное» — самый наглый обман физики
Квантовая механика — дисциплина, которая любит прятаться за математическими абстракциями. Спросите физика, сколько длится квантовый переход, и он начнёт рассказывать про соотношение неопределённости и про то, что время в квантовой механике — вообще не оператор, а параметр, и вообще вопрос некорректен. Красиво. Академично. И абсолютно бесполезно, если вам нужен конкретный ответ.
Десятилетиями физическое сообщество жило с негласным консенсусом: квантовый переход — штука настолько быстрая, что можно считать её мгновенной. Это так называемое внезапное приближение: электрон сидел на одном энергетическом уровне, моргнул — и уже на другом. Где он был «между» — вопрос для философов, а не для экспериментаторов.
Но вот незадача. Закон сохранения энергии прямо говорит: переход не может быть мгновенным. Если электрон поглощает фотон и меняет своё состояние, на это требуется хоть какое-то время. Какое? Теоретики ещё в 1950-х предложили формальный ответ — время задержки Эйзенбуда—Вигнера—Смита (τ_EWS). По сути, это фазовый сдвиг волнового пакета электрона относительно свободно летящей волны, делённый на скорость изменения энергии. Звучит технически, но суть проста: если электрон при вылете из материала «задержался» и накопил дополнительную фазу, значит, переход занял конечное время. Осталось только это время измерить. И вот тут начинается самое интересное.
Часы из спина: как измерить время без времени
Классический способ измерять сверхбыстрые процессы — аттосекундная стрикинг-спектроскопия: вы стреляете ультракоротким лазерным импульсом и смотрите, как электроны вылетают с задержкой относительно друг друга. Метод рабочий, но он даёт относительное время — разницу между двумя каналами. Это как если бы вы узнали, что один бегун финишировал на полсекунды позже другого, но понятия не имели, сколько бежал каждый.
Швейцарская команда пошла другим путём — через спин. Идея, положа руку на сердце, красива до неприличия. Когда линейно поляризованный свет падает на кристалл под углом, электрическое поле раскладывается на две компоненты — параллельную и перпендикулярную поверхности. Каждая компонента возбуждает свой канал фотоэмиссии с собственной комплексной амплитудой. Эти два канала интерферируют, и результат интерференции проявляется в спиновой поляризации вылетающих электронов — даже если исходное состояние было полностью спин-вырожденным.
Вот что поразительно: спиновая поляризация — это прямой слепок фазы матричного элемента перехода. А фаза, как известно из формулы Вигнера, напрямую связана со временем. Меряешь, как поляризация меняется с энергией, берёшь производную — и получаешь абсолютное время перехода. Безо всяких внешних часов и эталонов. Электрон сам себе хронометр.
Это настоящий трюк квантовой интерферометрии: информация о времени закодирована в фазе, фаза проявляется через спин, спин вы измеряете стандартными детекторами Мотта. Ни один лазерный импульс в этой схеме не задаёт «тиканье». Часы, которых нет, — но которые работают.
От куба к проволоке: симметрия замедляет реальность
Итак, метод есть. Что он показал? Результаты — из тех, от которых хочется перечитать таблицу дважды.
Для чистой трёхмерной меди Cu(111) время квантового перехода составило примерно 26 аттосекунд. Кубическая решётка, высокая симметрия — электрон проскакивает между состояниями почти без задержки. Теперь берём квази-двумерные материалы — дихалькогениды переходных металлов 1T-TiSe₂ и 1T-TiTe₂. Слоистые кристаллы, похожие по структуре на графит: сильные связи внутри слоя, слабые — между слоями. Время перехода подскочило до 142–176 аттосекунд. Рост почти в шесть раз. Графен — чистый двумерный случай — дал около 160 аттосекунд, что вписывается в ту же картину.
А потом пришла очередь CuTe — квази-одномерного теллурида меди с волной зарядовой плотности. Результат: более 209 аттосекунд. Восьмикратное увеличение по сравнению с медью. Тренд недвусмысленный: чем ниже размерность, тем меньше зеркальных плоскостей в кристалле, тем дольше электрону приходится «думать» при переходе.
И вот что особенно любопытно. Можно было бы списать эффект на электронные корреляции — мол, в BSCCO (висмутовый сверхпроводник, тоже квази-2D) сильные корреляции, потому и время большое. Но TiTe₂ — система без волны зарядовой плотности и со слабыми корреляциями — показала практически тот же результат, что и TiSe₂, где корреляции заметно сильнее. Это означает, что главный регулятор здесь — не сила взаимодействий, а геометрия кристалла, его пространственная симметрия. Размерность диктует ритм квантовому переходу.
Зачем нам знать, сколько длится невозможное
Скептик скажет: ну и что? Какая разница, 26 или 209 аттосекунд? Электрон всё равно вылетает быстрее, чем вы моргнёте. Зачем вообще ковыряться в этих фемтосекундных дробях?
А затем, что фундаментальная физика — это не про «зачем», а про «как устроено». И если квантовый переход занимает конечное время, и это время зависит от симметрии, то мы получаем совершенно новый инструмент для характеристики материалов. Спин-разрешённая аттосекундная хроноскопия может стать альтернативным способом оценки силы электронных взаимодействий — не через спектральный вес, ширину линий или температуру сверхпроводящего перехода, а напрямую через временну́ю шкалу квантового процесса.
Авторы статьи прямо указывают на перспективу: тяжёлые фермионы, железные сверхпроводники с орбитально-селективными корреляциями, системы с узкими квазичастичными зонами. Если в этих материалах локализация электронов влияет на время перехода так же, как размерность, — мы получим принципиально новый зонд для коррелированной физики. А ещё — возможную связь с квантовой метрикой тензора геометрических свойств зонной структуры, что уже само по себе завораживает.
Более того, если длительность квантового перехода растёт с уменьшением симметрии, это может иметь прямые следствия для квантовых вычислений. Когда у квантовой операции появляется протяжённость во времени — пусть и аттосекундная — возникают дополнительные степени свободы. Суперпозиция, брейдинг, манипуляции с запутанностью — всё это чувствительно к тому, «сколько длится» элементарный шаг.
Будущее, которое измеряется в аттосекундах
Есть в этой истории кое-что, о чём не принято говорить на конференциях в полный голос, но что шепчут в кулуарах. Время в квантовой механике — это больное место. Не переменная, а параметр. Не оператор, а задний фон. Квантовая теория построена на гамильтониане и эволюции состояний, но у времени в этой конструкции нет собственного «голоса». Оно не измеряется — к нему привязываются.
Работа Го и Диля — это ещё один удар по этой привычной картине. Если квантовый переход имеет длительность, которая зависит от свойств системы, время перестаёт быть пустой рамкой и становится физической величиной, связанной с конкретной материей. Симметрия кристалла влияет на ход «внутренних часов» электрона — точно так же, как гравитация влияет на ход часов в общей теории относительности. Параллель, разумеется, метафорическая, но направление мысли — вполне рабочее.
Конечно, до полной теории «квантового времени» далеко. Но каждый эксперимент, который привязывает абстрактную фазу к конкретному тиканью, — это кирпич в здании, проект которого мы пока не видим целиком. Может быть, через двадцать лет школьники будут учить, что время квантового перехода зависит от размерности так же естественно, как период маятника — от длины нити. А может быть, вся эта история свернёт куда-то совершенно в другую сторону. В физике такое случается регулярно — и именно за это мы её любим.
Измерить то, что считалось неизмеримым, без часов, которых не существует, в материалах, живущих на границе между измерениями, — это не фокус. Это научный метод в своём лучшем проявлении: упрямый, изобретательный и абсолютно безразличный к тому, что написано в учебниках. Аттосекундная хроноскопия через спин фотоэлектронов пока находится в младенчестве, но она уже показала главное — квантовые переходы не мгновенны, и их длительность несёт в себе информацию о самой ткани материи. Время, оказывается, не просто течёт. Оно зависит от того, сквозь какую геометрию ему приходится просачиваться.