Ідеальний стрибок. Фізики вперше зняли наживо неможливий квантовий перехід електронів

Німецькі науковці вперше змогли наживо відстежити, як електрони долають заборонену енергетичну зону в графені зі стовідсотковою ймовірністю.  

Щоб побачити цей квантовий процес у режимі реального часу, фізики поєднали надкороткі лазерні спалахи з фотоемісійним імпульсним мікроскопом. На відміну від звичайних мікроскопів, цей прилад вимірює розподіл енергії та швидкість руху часток усередині кристала.

Наукову роботу обублікували у журналі Nature.

У твердих тілах електрони рухаються всередині чітко визначених енергетичних зон, які розділені забороненими проміжками. Квантова механіка дозволяє часткам переходити між цими зонами завдяки тунелюванню, проте ймовірність такого процесу зазвичай є низькою.

Під час експерименту вчені зафіксували переходи Ландау- Зінера- Майорани. Потужні електричні поля, створені лазером, настільки швидко розганяли електрони крізь атомарну структуру графена, що ті перестрибували між дозволеними рівнями, взагалі не затримуючись у забороненій зоні. Вимірювання довели, що за таких умов ймовірність тунелювання сягає абсолютних 100%.

Для проведення експерименту дослідники використали атомарно чисті зразки двовимірного графена. Будь-які сторонні домішки в матеріалі могли б порушити тонку квантову динаміку та завадити спостереженню.

Окрім фіксації рекордного тунелювання, нова методика допомогла побачити, як зіткнення електронів із кристалічною решіткою поступово руйнує їхній синхронний рух.

«Наш експеримент відкриває панорамне вікно у квантовий світ. Тепер ми можемо в режимі реального часу спостерігати за тим, як електрони рухаються крізь енергетичний ландшафт матеріалу. І це лише початок», — сказав Джакомо Інзані з Університету Регенсбурга.