По опыту, поездка по центру города занимает больше времени, чем такое же расстояние по открытой проселочной дороге. Ведь вас ждет множество других участников дорожного движения, красные огни, дорожные работы и пробки в центре города. И наоборот, если вы хотите узнать, насколько загружена дорога, не присоединяясь к движению, вы можете измерить время, затрачиваемое автомобилями на преодоление определенного расстояния. Именно так современные навигационные системы идентифицируют препятствия для движения. В микромире эта концепция сохраняется. Когда электроны (наименьшие из возможных носителей заряда) движутся через твердые тела, они могут взаимодействовать с другими электронами, изменяя их динамику. Однако из-за крошечной массы электронов соответствующие процессы происходят невообразимо быстро и подчиняются интригующим законам квантовой физики, а не классической механики.

Группа физиков во главе с профессором доктором Рупертом Хубером из Института экспериментальной и прикладной физики Университета Регенсбурга, Германия, и профессором доктором Маккилло Кира с факультета электротехники и компьютерных наук Мичиганского университета. США впервые успешно отследили сверхбыстрое движение свободных электронов в твердых телах с ошеломляющей точностью всего в несколько сотен аттосекунд. Этого разрешения достаточно для исследования мельчайших изменений в квантовой динамике электронов, вызванных притяжением других носителей заряда или сложными многочастичными корреляциями. Исследовательская группа сообщает о своих результатах в текущем номере научного журнала Nature.

Аттосекунда соответствует миллиардной части миллиардной доли секунды, что относится к секунде так же, как секунда относится к удвоенному возрасту Вселенной. Даже свет прошел бы расстояние порядка диаметра атома за аттосекунду. Для измерения движения электронов в таких коротких временных масштабах исследователи разработали новый тип аттосекундного секундомера.

«Маятник» этих часов задается колеблющейся несущей волной света — самым быстрым переменным полем, которым может управлять человек. Световое поле буквально ставит носители заряда на тестовую дорожку через твердое тело. Он сначала ускоряет электроны в полупроводниковых образцах в одном направлении, а затем, изменив направление поля на противоположное, повторно сталкивается с зазором, из которого они были удалены, так называемыми дырками. При этом испускаются высокоэнергетические фотоны. Столкновения не всегда имеют одинаковую вероятность, а зависят от момента времени, в который электрон начинает свое движение.

Исследователи рассчитали этот путь столкновения с точностью до сотой доли периода световых колебаний и, таким образом, смогли показать, как разная сила притяжения между носителями заряда меняет их динамику. «Подобно тому, как из интенсивного движения лучше выехать раньше, чтобы добраться до места назначения вовремя, электроны должны начать свой путь столкновения раньше, если между электронами в кристалле происходит много сильных столкновений», — объясняет первый автор Йозеф Фрейденштейн из Института экспериментальной и прикладной физики Регенсбургского университета с энтузиазмом.

Чтобы исследовать влияние сил притяжения различной силы между носителями заряда, исследователи изучили один атомный слой полупроводникового материала диселенида вольфрама рядом с объемным образцом того же материала. В таком минимально толстом экзотическом твердом теле многократно возрастает притяжение между носителями заряда и изменяется движение электронов. Кроме того, можно было исследовать другие критические параметры динамики носителей заряда: если ускоряющее световое поле усиливается, электроны быстрее завершают путь столкновения. Тот же результат наблюдается и тогда, когда многие электроны начинают свой путь одновременно. Тогда они экранируют друг друга и носители заряда видят только слабые силы притяжения.

Таким образом, по измеренному времени, которое требуется электронам для завершения своего тестового пути, можно сделать вывод не только о том, произошло ли взаимодействие, но и о том, каким образом. «В аттосекундной шкале времени эффекты взаимодействия больше не могут быть объяснены законами классической физики; вместо этого они имеют чисто квантово-механическую природу. Отслеживание непосредственно во временной области того, как они влияют на движение электронов, чрезвычайно полезно при тестировании современных квантовых теорий многих тел», — объясняет профессор доктор Маккилло Кира, чья группа смогла смоделировать микроскопическую динамику с помощью квантово-механических расчетов.

«Долгое время специалисты по физике твердого тела полагали, что гораздо более медленной фемтосекундной временной шкалы достаточно для описания электронной динамики, относящейся к твердому телу; наши результаты явно опровергают эту гипотезу», — говорит профессор доктор Руперт Хубер, который руководит экспериментами в Регенсбурге. «Наш аттосекундный секундомер может помочь лучше понять многочастичные корреляции в современных квантовых материалах и установить новые тенденции для будущей обработки квантовой информации».