Времето на квантовия преход бе измерено: физиците доказаха, че геометрията на материята управлява времето

Колко време продължава един квантов преход? Смята се, че процесът на фотоемисията – изтръгването на електрон от атом чрез светлина – е мигновен. Това предположение е в основата на Копенхагенската интерпретация, при която колапсът на вълновата функция се разглежда като събитие с нулева продължителност. Развитието на атосекундната физика (Нобелова награда за 2023 г.) обаче доказа: няма такова нещо като „мигновено“. Всеки процес има времетраене.

Екип от изследователи от Федералната политехническа гимназия в Лозана (EPFL) публикува статия в списание Newton, която променя начина, по който мислим за динамиката на микрокосмоса. Те доказаха, че продължителността на квантовия скок не е универсална константа, а се определя от геометрията на пространството, в което се намира частицата. Симетрията на кристалната решетка буквално разтяга или компресира времето.

Кризата при измерването на времето

Опитът да се измери времето, което е необходимо на електрона да напусне даден материал, се сблъсква с класическия проблем на квантовата механика: проблема на наблюдателя. За да се улови моментът на началото и края на дадено събитие с продължителност няколко десетки атосекунди (1 атосекунда = 10-¹⁸ секунди), е необходим инструмент с подходяща точност.

Традиционните методи, като например attosecond striking или RABBITT, използват за тази цел мощни лазерни полета. Външното електромагнитно поле действа като затвор на фотоапарат, модулирайки импулса на излитащия електрон. Този метод обаче има неразрешим недостатък: силното поле се намесва в кулоновия потенциал на атома. Измервателният уред изкривява измерената стойност. Физиците се оказват в ситуация, в която е невъзможно да се отдели чистото време на закъснение от артефактите, причинени от самия процес на измерване.

Екипът, ръководен от Фей Гуо и Хуго Дил, предложи коренно различна архитектура на експеримента. Те премахнаха външната синхронизация. Вместо да налагат чужд ритъм на електрона, те намериха начин да извлекат информацията за времето от вътрешните степени на свобода на самата частица.

Спинът като фазова памет

Новият метод се основава на явлението квантова интерференция. Според законите на квантовата механикапри поглъщане на фотон електронът не се движи по една точно определена траектория. Вместо това неговата вълнова функция се развива едновременно по няколко налични квантови канала (частични вълни).

На изхода на кристала тези вълни се наслагват една върху друга. Резултатът от тяхната интерференция зависи от фазовата разлика, натрупана по време на движението. Именно тази фаза съдържа информацията за времето. В квантовата механика времето на забавяне на разсейването (забавяне на Айзенбад-Вигнер-Смит, τEWS) се изразява математически като енергийна производна на фазата на разсейване. Единственият проблем е, че фазата обикновено се губи при измерването – детекторите записват само интензитета на потока частици, но не и неговата вълнова структура.

Авторите на тази нова научна публикация използват метода на фотоемисионната спектроскопия с ъглова и спинова разделителна способност (SARPES). Те откриха, че в материалите със силно спин-орбитално взаимодействие интерференцията на различните канали на излитане води до появата на спинова поляризация на фотоелектроните. Това се случва дори ако оригиналният материал няма магнитни свойства и падащата светлина е линейно поляризирана.

Векторът на спина на излитащия електрон се оказа твърдо свързан с фазовото изместване между интерфериращите вълни. Чрез измерване на спиновата проекция учените успяват да възстановят фазата и следователно да изчислят абсолютното време на закъснение на бягството на електрона без използването на външен часовник.

Експериментът: от обема към линията

Основната цел на изследването е да се установи как структурата на материята влияе на времевата динамика. За тази цел физиците избират три класа материали, представляващи стълбица на размерността:

1. 3D структурата: монокристал на медта (Cu). Това е класически метал с кубична централна лицева решетка, която има силна симетрия в трите измерения.
2. Квази-2D структурата: титанов диселенид (TiSe₂) и титанов дителлурид (TiTe₂). Това са слоести материали (материали на Ван дер Ваалс), при които атомите са твърдо свързани в равнини и взаимодействието между слоевете е отслабено. Електроните тук са ефективно уловени в двуизмерното пространство.
3. Квази-1D структурата: меден телурид (CuTe). Уникален материал, в който атомите образуват изолирани вериги. Преносът на електрони и вълновите функции тук са ограничени почти до една единствена линия.

Резултатите от измерванията разкриват строга обратна зависимост между размерността на системата и времето за фотоемисия.

• В триизмерната мед процесът на емисия на електроните отнема минимално време от около 26 атосекунди. Това е изключително близко до теоретичния минимум за твърдите тела.
• При преминаване към двуизмерни системи (TiSe₂) времето на забавяне се увеличава драстично до 150 атсосекунди.
• В едноизмерните системи CuTe закъснението достига рекордни стойности, надхвърляйки 200 атсосекунди.

Разликата е много голяма: намаляването на размерността от 3D на 1D забавя квантовия процес с почти един порядък.

Механиката на забавянето: ролята на симетрията

Интерпретацията на тези данни изисква отхвърляне на алтернативните хипотези. Първият заподозрян беше електронната корелация – взаимодействието на електроните един с друг. Екранирането на кулоновото взаимодействие работи по-зле в нискоразмерни системи (1D и 2D), отколкото в обемните (3D), което би могло да обясни забавянето.

Изследователите обаче сравняват два двуизмерни материала – TiSe₂ и TiTe₂. Първият е известен със силните корелационни ефекти (вълни на плътността на заряда), докато вторият практически няма такива. Въпреки разликата във физиката на взаимодействията е установено, че техните времена на закъснение са идентични. Това позволи да се отхвърли корелацията като основен фактор.

Доминиращата причина се оказа пространствената симетрия. Времето на живот на едно квазистационарно състояние (което представлява възбуден електрон преди излитането му) зависи от броя на наличните канали за разпад. В един силно симетричен 3D кристал електронната вълнова функция има много еквивалентни посоки за разпространение и конструктивна интерференция. Това осигурява бързо и ефективно бягство на вълновия пакет във вакуума.

С намаляването на размерността симетрията се нарушава. В 1D системите броят на разрешените квантови състояния и пътища за интерференция критично намалява. Електронът се оказва в топологичен капан: за да се образува изходяща вълна, е необходима по-сложна фазова еволюция вътре в кристала. Процесът на натрупване на необходимата фаза отнема физическо време.

Фундаменталните последствия

Получените данни позволяват да се формулират няколко важни извода за съвременната физика.

1. Времето е параметър на материала. Продължителността на квантовия преход не е константа, зависеща само от енергията на фотона. Тя е динамична характеристика, определена от кристалографската структура на материята. Можем да контролираме скоростта на квантовите процеси, като променяме геометрията на кристалната решетка.
2. Границите на бързодействието на електрониката. Съвременната електроника се движи към петахерцови честоти (PHz), където превключването на транзисторите трябва да става за фемто- и аттосекунди. Това изследване показва фундаменталното физично ограничение: в нискоразмерните наноструктури (които се разглеждат като основа на бъдещите чипове) сигналът неизбежно ще се забави по-дълго, отколкото в обемните проводници. Тази латентност не може да бъде елиминирана чрез подобряване на чистотата на материала – тя е заложена в неговата геометрия
3. Нов инструмент за анализ. Методът за измерване на времето чрез спинова поляризация открива достъп до изучаването на материали, които досега бяха недостъпни за атосекундната физика. Това се отнася например за високотемпературни свръхпроводници и топологични изолатори, при които едно външно лазерно поле разрушава крехкото квантово състояние.

По този наин бяха получени експериментални доказателства, че пространството и времето на микроравнище са по-тясно свързани, отколкото се очакваше. Намаляването на пространствената свобода на една частица неизбежно се заплаща с увеличаване на нейното време за реакция. В света на квантовата механика колкото по-тесен е коридорът, толкова по-дълъг е пътят до изхода. Тоест, сега човечеството започва да разбира не просто, че времето тече, а как материята му казва с каква скорост да го прави.