Физики из Регенсбургского университета, Филиппс-университета Марбурга и исследовательского центра Forschungszentrum Jülich зафиксировали редкое квантовое явление. Исследователям удалось увидеть, как электроны совершают скачки через энергетические разрывы, которые в обычных условиях недоступны для перехода.
Это явление, известное как переходы Ландау-Зенера-Майораны, было обнаружено в графене — материале из сверхтонкого слоя атомов углерода. Результаты работы опубликованы в журнале Nature. Ученые выяснили, как мощные электрические поля, создаваемые светом, заставляют электроны менять свои энергетические состояния.
Механизм квантовых переходов
В полупроводниках электроны могут находиться только в определенных энергетических зонах. Между ними существуют так называемые запрещенные зоны, где стабильные состояния электронов обычно невозможны. В стандартных условиях частицы остаются внутри своих зон, однако воздействие интенсивных световых импульсов меняет эту картину.
Электрическое поле ускоряет электроны, заставляя часть из них переходить из одной энергетической зоны в другую. В ходе экспериментов вероятность такого перехода достигала 100 процентов. Этот процесс отличается от обычного квантового туннелирования, так как ключевым фактором здесь является скорость приближения электрона к разрыву под влиянием поля.
Технология наблюдения
Для фиксации этих сверхбыстрых процессов ученые разработали метод, объединяющий лазерные технологии и электронную микроскопию. В качестве основного инструмента выступил фотоэмиссионный импульсный микроскоп. В отличие от традиционных приборов, он не создает увеличенное изображение поверхности, а измеряет энергию и движение электронов, создавая карты их распределения по состояниям.
Сложность заключалась в необходимости совместить измерения с высокочастотными колебаниями световых полей. По словам одного из авторов исследования Винсента Эггерса, для того чтобы поймать электроны, совершающие квантовый переход, необходимо одновременно наблюдать за максимально возможным количеством частиц.
Роль материалов и перспективы
Успех эксперимента стал возможен благодаря использованию сверхчистых образцов графена толщиной в один атом, подготовленных в Forschungszentrum Jülich. Стефан Тауц отметил, что для таких точных измерений материал должен быть почти идеальным на атомном уровне. Также применялся так называемый «повернутый» графен, который позволил четче проявить квантовую динамику.
Разработанный метод наблюдения может помочь в создании электроники, где управление электронами будет осуществляться с помощью быстрых колебаний света, а не электрического напряжения. Кроме того, исследователи планируют применить этот подход к другим квантовым материалам для изучения их свойств в реальном времени.
