Время квантового перехода измерено: физики доказали, что геометрия материи управляет временем

Сколько времени длится квантовый переход? Считается, что процесс фотоэмиссии — выбивания электрона из атома светом — происходит мгновенно. Это допущение лежит в основе копенгагенской интерпретации, где коллапс волновой функции рассматривался как событие нулевой длительности. Однако развитие аттосекундной физики (Нобелевская премия 2023 года) доказало: «мгновенно» не существует. У любого процесса есть хронометраж.

Группа исследователей из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) опубликовала в журнале Newton работу, которая меняет наше представление о динамике микромира. Они доказали, что длительность квантового скачка не является универсальной константой, а задается геометрией пространства, в котором находится частица. Симметрия кристаллической решетки буквально растягивает или сжимает время.

Кризис измерения времени

Попытка измерить время, которое электрон тратит на выход из материала, сталкивается с классической проблемой квантовой механики — проблемой наблюдателя. Чтобы зафиксировать момент начала и конца события, длящегося несколько десятков аттосекунд (1 аттосекунда = 10⁻¹⁸ секунды), необходим инструмент соответствующей точности.

Традиционные методы, такие как аттосекундный стрикинг или RABBITT, используют для этого мощные лазерные поля. Внешнее электромагнитное поле выступает в роли затвора камеры, модулируя импульс вылетающего электрона. Однако этот метод имеет неустранимый недостаток: сильное поле вмешивается в кулоновский потенциал атома. Измерительный прибор искажает измеряемую величину. Физики оказываются в ситуации, когда невозможно отделить чистое время задержки от артефактов, вызванных самим процессом измерения.

Команда под руководством Фэя Го и Хьюго Дила предложила принципиально иную архитектуру эксперимента. Они отказались от внешней синхронизации. Вместо того чтобы навязывать электрону чужой ритм, они нашли способ извлечь информацию о времени из внутренних степеней свободы самой частицы.

Спин как фазовая память

В основе нового метода лежит явление квантовой интерференции. Согласно законам квантовой механики, при поглощении фотона электрон не движется по одной четко определенной траектории. Вместо этого его волновая функция эволюционирует сразу по нескольким доступным квантовым каналам (парциальным волнам).

На выходе из кристалла эти волны накладываются друг на друга. Результат их интерференции зависит от разности фаз, накопленной в процессе движения. Именно эта фаза и содержит информацию о времени. В квантовой механике время задержки рассеяния (задержка Эйзенбада-Вигнера-Смита, τEWS) математически выражается как производная фазы рассеяния по энергии. Проблема лишь в том, что фаза обычно теряется при измерении — детекторы фиксируют лишь интенсивность потока частиц, но не их волновую структуру.

Авторы работы использовали метод фотоэмиссионной спектроскопии с угловым и спиновым разрешением (SARPES). Они обнаружили, что в материалах с сильным спин-орбитальным взаимодействием интерференция различных каналов вылета приводит к возникновению спиновой поляризации фотоэлектронов. Это происходит даже в том случае, если исходный материал не обладает магнитными свойствами, а падающий свет линейно поляризован.

Вектор спина вылетающего электрона оказывается жестко связан с фазовым сдвигом между интерферирующими волнами. Измеряя проекцию спина, ученые смогли восстановить фазу и, следовательно, вычислить абсолютное время задержки выхода электрона без использования внешних часов.

Эксперимент: от объема к линии

Главной целью исследования было выяснить, как структура материи влияет на темпоральную динамику. Для этого физики выбрали три класса материалов, представляющих собой лестницу размерности:

1. 3D-структура: монокристалл меди (Cu). Это классический металл с кубической гранецентрированной решеткой, обладающий высокой симметрией в трех измерениях.
2. Квази-2D структура: диселенид титана (TiSe₂) и дителлурид титана (TiTe₂). Это слоистые материалы (материалы Ван-дер-Ваальса), где атомы жестко связаны в плоскостях, а взаимодействие между слоями ослаблено. Электроны здесь фактически заперты в двумерном пространстве.
3. Квази-1D структура: теллурид меди (CuTe). Уникальный материал, в котором атомы образуют изолированные цепочки. Электронный транспорт и волновые функции здесь ограничены практически одной линией.

Результаты измерений выявили строгую обратную корреляцию между размерностью системы и временем фотоэмиссии.

• В трехмерной меди процесс выхода электрона занял минимальное время — около 26 аттосекунд. Это предельно близко к теоретическому минимуму для твердых тел.
• При переходе к двумерным системам (TiSe₂) время задержки резко возросло до 150 аттосекунд.
• В одномерном CuTe задержка достигла рекордных значений, превысив 200 аттосекунд.

Разница очень большая: снижение размерности с 3D до 1D замедляет квантовый процесс почти на порядок.

Механика замедления: роль симметрии

Интерпретация этих данных потребовала исключения альтернативных гипотез. Первым подозреваемым была электронная корреляция — взаимодействие электронов друг с другом. В низкоразмерных системах (1D и 2D) экранирование кулоновского взаимодействия работает хуже, чем в объеме (3D), что могло бы объяснить задержку.

Однако исследователи сравнили два двумерных материала — TiSe₂ и TiTe₂. Первый известен сильными корреляционными эффектами (волны зарядовой плотности), второй — практически нет. Несмотря на различие в физике взаимодействий, время задержки в них оказалось идентичным. Это позволило отбросить корреляцию как основной фактор.

Доминирующей причиной оказалась пространственная симметрия. Время жизни квазистационарного состояния (которым является возбужденный электрон перед вылетом) зависит от количества доступных каналов распада. В высокосимметричном 3D-кристалле электронная волновая функция имеет множество эквивалентных направлений для распространения и конструктивной интерференции. Это обеспечивает быстрый и эффективный выход волнового пакета в вакуум.

По мере снижения размерности симметрия нарушается. В 1D-системах количество разрешенных квантовых состояний и путей интерференции критически снижается. Электрон оказывается в топологической ловушке: чтобы сформировать уходящую волну, требуется более сложная фазовая эволюция внутри кристалла. Процесс накопления необходимой фазы занимает физическое время.

Фундаментальные следствия

Полученные данные позволяют сформулировать несколько выводов для современной физики.

1. Время — это параметр материала. Длительность квантового перехода не является константой, зависящей только от энергии фотона. Это динамическая характеристика, определяемая кристаллографической структурой вещества. Мы можем управлять скоростью квантовых процессов, меняя геометрию решетки.

2. Пределы быстродействия электроники. Современная электроника движется в сторону петагерцовых частот (PHz), где переключения транзисторов должны происходить за фемто- и аттосекунды. Данное исследование показывает фундаментальный физический предел: в низкоразмерных наноструктурах (которые рассматриваются как основа будущих чипов) сигнал неизбежно будет задерживаться дольше, чем в объемных проводниках. Эту задержку невозможно устранить улучшением чистоты материала — она вшита в саму его геометрию.

3. Новый инструмент анализа. Метод измерения времени через спиновую поляризацию открывает доступ к изучению материалов, которые ранее были недоступны для аттосекундной физики. Это касается, например, высокотемпературных сверхпроводников и топологических изоляторов, где внешнее лазерное поле разрушает хрупкое квантовое состояние.

Мы получили экспериментальное доказательство того, что пространство и время на микроуровне связаны теснее, чем предполагалось. Уменьшение пространственной свободы частицы неизбежно оплачивается увеличением времени ее реакции. В мире квантовой механики чем уже коридор, тем дольше путь к выходу.

Источник: Newton