Дискретный уровень энергии атомной вакансии в атомарно тонком материале смещается при возбуждении барабанной вибрации. Временная эволюция локализованного уровня энергии неразрывно связана с отклонениями атомов вследствие барабанного режима. Кредит: Брэд Бэксли

Подбрасывая мяч в воздух, можно передать ему произвольную энергию так, что он полетит выше или ниже. Одна из странностей квантовой физики заключается в том, что частицы, например электроны, часто могут принимать только квантованные значения энергии — как если бы мяч прыгал между определенными высотами, как ступеньки лестницы, а не летал непрерывно.

Этот принцип используется в кубитах и квантовых компьютерах, а также в светоизлучающих квантовых точках (Нобелевская премия 2023 г.). Однако электронные уровни энергии могут смещаться в результате столкновений с другими электронами или атомами. Процессы в квантовом мире обычно происходят на атомном уровне и к тому же невероятно быстры.

Используя новый тип сверхбыстрого микроскопа, команде из Регенсбурга удалось напрямую наблюдать с атомным разрешением в сверхбыстрых временных масштабах, как энергия отдельного электрона настраивается вибрациями окружающих атомов. Примечательно, что они также смогли целенаправленно контролировать этот процесс. Подобные открытия могут иметь решающее значение для развития сверхбыстрых квантовых технологий.

Физики использовали атомарно тонкий материал, чтобы исследовать, как меняется дискретный уровень энергии, когда этот атомный слой движется вверх и вниз, как мембрана барабана. Они наблюдали это на вакансии — пустоте, остающейся после удаления отдельного атома.

Такие атомно-тонкие двумерные кристаллы, известные своими универсальными и настраиваемыми электронными свойствами, особенно интересны для будущей наноэлектроники. Вакансии в кристалле являются многообещающими кандидатами на роль кубитов, элементарных носителей информации квантовых компьютеров, поскольку они имеют дискретные электронные уровни энергии, как и атомы.

Исследователи обнаружили, что они могут изменить дискретный энергетический уровень дефекта, вызывая барабанную вибрацию атомно-тонкой мембраны: атомное движение окружающих атомов смещается и, таким образом, контролирует энергетический уровень вакансии. Эти результаты были опубликованы в журнале Nature Photonics.

Чтобы сделать это революционное открытие, исследователям пришлось преодолеть несколько препятствий. Атомное разрешение в 1 ангстрем необходимо для наблюдения атомно-локализованных энергетических уровней и их динамики. Кроме того, движение в наномире чрезвычайно быстрое.

«Чтобы отслеживать, как меняется уровень энергии, необходимо делать стробоскопические снимки уровня энергии, причем каждый снимок записывается менее чем за триллионную долю секунды, быстрее, чем пикосекунды», — объясняет первый автор Кармен Рёлке.

Все эти задачи были решены командой Кармен Рёлке, Лукаса Кастнера и Ярослава Герасименко с помощью тщательно продуманного метода, использующего энергетическое и пространственное разрешение сканирующего туннельного микроскопа. В то же время использование специально подобранных ультракоротких лазерных импульсов позволяет записывать чрезвычайно быструю динамику в замедленном режиме. Объединенный опыт групп Яши Реппа и Руперта Хубера создал решающую синергию для необходимой сверхбыстрой атомной спектроскопии.

«Благодаря нашему новому подходу мы можем расшифровать структурное движение мембраны атомного барабана и сдвиг локализованного уровня энергии в замедленной съемке», — говорит Ярослав Герасименко. Расчеты из первых принципов Максимилиана Грамла и Яна Вильгельма убедительно объясняют, как атомы в атомарно тонком слое движутся во время колебаний и как это может влиять на дискретные уровни энергии.

Работа команды из Регенсбурга открывает новую эру в изучении динамики атомно-локализованных энергетических уровней и их взаимодействия с окружающей средой. Это открытие позволяет самым прямым образом локально контролировать дискретные уровни энергии . Например, движение отдельных атомов может изменить энергетическую структуру материала и, таким образом, создать новые функциональные возможности или конкретно изменить свойства светоизлучающих полупроводников и молекул.

Благодаря беспрецедентному сочетанию экстремального пространственного, временного и энергетического разрешения становится возможным более глубокое понимание фундаментальных процессов, таких как локальное взаимодействие электронов с колебаниями решетки. Более того, этот подход может помочь разгадать тайны ключевых процессов, лежащих в основе фазовых переходов, таких как высокотемпературная сверхпроводимость, которые еще предстоит понять.