Международная группа ученых из Регенсбургского центра ультрабыстрой наноскопии (RUN) и Института Макса Планка в Гамбурге обнаружила фундаментальное ограничение в квантовой физике. Исследователи экспериментально доказали существование так называемого «пространственно-временного лимита»: невозможно с произвольной точностью определить одновременно положение электрона в пространстве и его поведение во времени.
Это открытие дополняет известный принцип неопределенности Гейзенберга, который говорит о невозможности одновременного точного измерения координаты и импульса частицы. В новом случае ученые обнаружили взаимосвязь между временем и пространством: чем точнее фиксируется момент движения электрона, тем сильнее его квантовый волновой пакет распределяется в пространстве.
Наблюдение за аттосекундами
Для проведения эксперимента команда создала новую лазерную систему с экстремальным временным разрешением. С помощью точно рассчитанных импульсов лазера электроны выталкивались с острого металлического наконечника к серебряной поверхности. Расстояние, которое они преодолевали, составляло всего несколько атомных диаметров.
Процессы происходили на масштабах аттосекунд (одна квинтиллионная доля секунды). Чтобы осознать масштаб, ученые сравнивают разницу между аттосекундой и секундой с разницей между одной секундой и всем возрастом Вселенной. В ходе опытов было замечено, что электроны ведут себя не как частицы, а как квантовые волны, проходя сквозь энергетический барьер — явление, известное как квантовое туннелирование.
Результаты и симуляции
С помощью квантового моделирования исследователи выяснили, что движение электронов не было мгновенным: оно отставало от светового поля примерно на 500 аттосекунд. Также было установлено, что лазерные импульсы проявляли свойства и волн, и частиц (фотонов) одновременно, что позволило изучить поведение электронов вблизи «пространственно-временного лимита».
Чтобы проверить связь между временем и пространством, ученые поместили на поверхность одиночный атом, который ограничил волновые пакеты электронов в очень малой области непосредственно перед воздействием лазера. Это позволило напрямую измерить, как распределение электронов в пространстве зависит от времени их движения.
Перспективы для электроники и химии
Обнаруженный лимит может привести к созданию технологий, работающих на скоростях, недоступных современной электронике. По словам профессора Руперта Хубера, в долгосрочной перспективе эти знания помогут создавать системы обработки квантовой информации и электронные устройства, которые будут работать в сотни тысяч раз быстрее, чем нынешняя технология CMOS.
Кроме того, управление волновыми пакетами электронов может позволить точечно влиять на химические реакции. При концентрации электрона в крайне малой области пространства и времени локальная плотность тока может достигать 1 триллиона ампер на квадратный сантиметр. Это откроет новые способы разрыва и изменения химических связей в молекулах.
