• Yulia Mi

Как долго длится квантовый переход?

Пост обновлен 4 нояб. 2019 г.

Длительность квантового перехода долгое время оставалась величиной не измеряемой, и квантовый переход считался мгновенным, однако новые исследования позволили ученым провести наблюдение этого процесса и даже измерение его длительности на примере известного фотоэлектрического эффекта, впервые описанного Альбертом Эйнштейном еще сто лет назад.



Это один из важнейших экспериментов квантовой физики, когда свет падает на определенные материалы, он высвобождает электроны из их поверхности. Альберт Эйнштейн был первым, кто объяснил этот феномен, введя понятие квантов света – мельчайших частиц, которых мы сейчас называем фотонами.


Крошечные частицы второго материала – электроны –поглощают фотоны, «перескакивают» в другое состояние и покидают поверхность. Этот фотоэлектрический эффект настолько быстрый, что до настоящего времени считался мгновенным. И лишь недавно команде ученых из Университета Технологий в Вене (Австрия) совместно с исследовательскими группами из Гархинга, Мюнхена и Берлина (Германия) удалось определить длительность фотоэлектрического эффекта на поверхности вольфрама. Результаты были опубликованы в журнале Nature.


Измерение в аттосекундном диапазоне


Фотоэлектрический эффект используется во многих отраслях техники, к примеру, он играет ключевую роль в солнечных панелях или в преобразовании данных, получаемых по оптоволокну, в электрические сигналы. Длительность процесса находится в аттосекундном диапазоне. Аттосекунда – это одна миллиардная часть миллиардной доли секунды.


“С помощью ультракоротких лазерных импульсов мы смогли впервые приблизиться к понятию временных рамок такого эффекта», - объясняет профессор Джоахим Бургдорфер (Joachim Burgdörfer) из Института Теоретической Физики Университета Технологий, - «нам удалось определить временной интервал между отдельными квантовыми скачками и показать, что различные квантовые скачки занимают различное время». Однако до недавнего времени удавалось только определить разницу во времени, но не абсолютную длительность, поскольку очень трудно задать «часы», которые начнут свой отчет точно в момент начала квантового скачка. Именно это стало возможным в ходе комбинации нескольких экспериментов, компьютерных симуляций и теоретических вычислений.


Атомные часы


Для решения этой задачи ученые пошли от простого к сложному: для получения абсолютной, прецизионно откалиброванной шкалы в первую очередь понадобилось изучить процесс выбивания электронов из атомов гелия с помощью лазерных импульсов. «Атомы гелия очень просты, используя их мы можем точно вычислить время развития фотоэмиссии. Для более сложных объектов, таких как металлические поверхности, это будет невозможно даже если мы будем проводить расчёты на лучших суперкомпьютерах в мире», - объясняет профессор Бургдорфер.


Атомы гелия использовались затем как опорные часы. Во втором эксперименте сравнивалась фотоэмиссия гелия и йода с целью калибровки часов на основе атомов йода. В конце концов, в третьем и финальном эксперименте уже можно было использовать атомы йода для изучения фотоэмиссии электронов с поверхности вольфрама. Атомы йода напылялись на поверхность вольфрама, который затем подвергался воздействию ультракоротких лазерных импульсов. Теперь, когда атомы йода использовались в качестве опорных часов, стало возможным измерить фотоэмиссию с поверхности твердого металла.


Ультракороткий лазерный импульс использовался для стартового сигнала запуска процесса. Электроны высвобождались из своих атомов и «перескакивали» в различные квантовые состояния, достигая поверхности вольфрама и покидая ее. «В вольфраме длительность этого процесса может быть изучена особенно хорошо, поскольку поверхность материала может быть очень точно определена. Это прекрасная финишная линия для электронно-временного измерения», - объясняет профессор Флориан Либиш.



Длительность фотоэмиссионного процесса зависит от начального состояния электронов. Она находится в диапазоне от 100 аттосекунд для электронов, выбиваемых с внутреннего энергетического уровня, до 45 аттосекунд для электронов зоны проводимости. Измерения проводились в Институте квантовой оптики Макса Планка в Гархинге (Германия).

Конечно, основной целью проекта было не только измерение длительности квантового эффекта. «Это крайне волнующая отрасль исследований, которая дает нам уникальные знания о физике поверхности и процессах перемещения электронов внутри материалов, что в свою очередь делает возможным изучение важных физических процессов с точностью, которая была немыслима еще несколько лет назад», - говорит Джоахим Бургдорфер.

Подписаться на новости SCDAILY