Рис. Изображение чрезвычайно короткого электронного волнового пакета (синего цвета) на границе пространства и времени, созданное художником. Автор изображения: Брэд Баксли (parttowhole.com)

В поставленном эксперименте физические величины поразительно велики: атом примерно в десять миллионов раз меньше миллиметра, а аттосекунда — это одна миллиардная миллиардной доли секунды. Таким образом, аттосекунда связана с секундой так же, как секунда связана с возрастом Вселенной. Особенно поразительно то, что движение электронов не подчиняется законам классической механики, а скорее странным правилам квантовой физики.

Для достижения соответствующего повышения временного разрешения, а также для непосредственного получения изображений и управления квантовой динамикой отдельных электронов, исследователи разработали новую лазерную систему. Используя её лазерные импульсы, учёные добились управления движением электронов в экстремальных временных масштабах таким образом, что электроны перемещаются от атомарно острого металлического наконечника к серебряной поверхности на расстояние всего в несколько атомных диаметров. Движения электронов измеряются как ток, а временная информация получается с помощью двух световых импульсов.

Варьируя временной интервал между двумя лазерными импульсами, удалось непосредственно наблюдать реакцию электронов. Наблюдаемое таким образом движение электронов демонстрирует признаки в аттосекундном масштабе времени, что означает — световые импульсы могут передавать электроны в этом временном масштабе, и за этим можно наблюдать.

Особенность этого явления заключается в том, что электроны движутся не как классические частицы. Напротив, подобно квантово-механическим волнам, электроны преодолевают энергетический барьер между наконечником и образцом, для преодоления которого, согласно законам классической физики, у них недостаточно энергии. Они "туннелируют" сквозь него, как если бы проходили сквозь массивную стену, не разрушая её. Измерения можно рассматривать как высокоскоростную камеру для электронных волновых пакетов, поскольку позволяют увидеть, в какой момент времени происходит процесс туннелирования.

Для лучшего понимания микроскопической динамики электронов в "пространственно-временном пределе" учёные провели сложные квантовые симуляции. Расчеты с поразительной точностью объясняют экспериментальные результаты. Также показано, что электрон не следует за световым полем мгновенно, а с крошечной задержкой в 500 аттосекунд. В этой пограничной области мельчайших пространственных и временных масштабов фундаментальные физические пределы квантовой физики проявляются на многих уровнях. Например, эффект лазерных импульсов нельзя однозначно отнести ни к волновой, ни к фотонной картине света — он обладает чертами обеих.

Соавторы работы говорят: чем точнее мы хотим определить положение электрона во времени, тем больше энергии нам нужно будет обеспечить, и в результате волновой пакет электрона распространяется в более широком пространстве.