Физики впервые засняли движение одиночного электрона в квантовом пределе

Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) впервые достигла квантово-механического предела пространства-времени. Физикам удалось отследить, как одиночный электрон туннелирует сквозь энергетический барьер под воздействием света. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Photonics.

Принцип неопределенности Гейзенберга запрещает одновременно точно измерить положение и импульс квантовой частицы. Однако для координат и времени такого жесткого ограничения природа не устанавливает. Ученые давно пытались понять, как пространственная форма электрона меняется со временем при внешнем воздействии — это знание критически важно для разработки квантовых компьютеров, новых катализаторов и других технологий, работающих на микроуровне.

Как «замедлить» электрон

Десять лет назад физики впервые отследили движение отдельной молекулы. Электроны движутся в тысячу раз быстрее — их перемещения происходят на масштабах аттосекунд (миллиардные доли миллиардной доли секунды). До сих пор микроскопы могли различать отдельные атомы, а лазеры — улавливать сверхбыстрые процессы, но объединить два подхода на уровне одного электрона не удавалось.

В новом эксперименте ученые направляли на острую металлическую иглу СТМ ультракороткие лазерные импульсы. Свет создавал электрическое поле, заставлявшее одиночные электроны перепрыгивать с острия иглы на поверхность серебра через микроскопический вакуумный зазор. По законам классической механики у частицы не хватило бы энергии для преодоления пустоты, но электрон вел себя как квантовая волна и туннелировал сквозь препятствие.

Чтобы детально зафиксировать прыжок, исследователи меняли время задержки между двумя вспышками света и измеряли возникающий электрический ток. Для проверки они создали полную компьютерную модель процесса.

500 аттосекунд запаздывания

Эксперимент показал задержку реакции электрона на свет: частица следовала за световым полем не мгновенно, а с отставанием в 500 аттосекунд. Физики варьировали энергию лазера в диапазоне от 36 до 171 пикоджоуля и заметили закономерность: чем точнее свет фиксировал положение электрона во времени, тем сильнее волновая форма частицы размазывалась в пространстве. Однако исследователям удалось подобрать параметры, при которых электронная волна оставалась компактной. Это позволило получить четкое изображение одиночного атома меди на серебряной поверхности, используя для сканирования сверхкороткие всплески тока.

Исследователи впервые засняли форму электронного волнового пакета прямо в момент его квантового прыжка. Локализовав электрон в пределах нескольких ангстрем за время менее одной фемтосекунды, они на практике достигли пространственно-временного предела микроскопии.

Какие перспективы открывает метод

В будущем этот метод позволит химикам не просто наблюдать за веществом, но и конструировать его: точечно запускать реакции и в реальном времени смотреть, как рвутся межатомные связи. Если те же принципы удастся перенести из лабораторного вакуума в микросхемы, вычислительные системы смогут достичь предельной скорости электронов.