Физики из EPFL нашли способ измерить время, затрачиваемое на квантовые события, и обнаружили, что оно зависит от симметрии материала.

Машинный перевод на русский:

«Концепция времени ставила в тупик философов и физиков на протяжении тысячелетий, и появление квантовой механики не упростило эту проблему», — говорит профессор Хьюго Дил , физик из EPFL. «Центральная проблема заключается в общей роли времени в квантовой механике, и особенно в масштабе времени, связанном с квантовым переходом».

Квантовые события, такие как туннелирование, или изменение состояния электрона путем поглощения фотона, происходят с невероятной скоростью. Некоторые из них занимают всего несколько десятков аттосекунд (10⁻¹⁸ секунд), что настолько мало, что свет даже не смог бы преодолеть ширину небольшого вируса.

Однако измерение таких малых временных интервалов чрезвычайно сложно, в том числе потому, что любой внешний инструмент измерения времени может исказить именно то, что мы хотим наблюдать. «Хотя Нобелевская премия по физике 2023 года показывает, что мы можем получить доступ к таким коротким временам, использование такой внешней временной шкалы чревато появлением артефактов», — говорит Дил. «Эту проблему можно решить с помощью методов квантовой интерференции, основанных на связи между накопленной фазой и временем».

Дил возглавил исследование, в результате которого был разработан способ точного измерения времени в квантовых событиях. Когда электроны поглощают фотон и покидают материал, они несут информацию в виде своего спина, который изменяется в зависимости от того, как разворачивается лежащий в основе квантовый процесс. Считывая эти крошечные изменения, исследователи смогли определить продолжительность перехода, не используя внешние часы.

Как говорит первый автор исследования Фэй Го: «Эти эксперименты не требуют внешнего эталона или часов и позволяют получить временную шкалу, необходимую для эволюции волновой функции электрона из начального состояния в конечное состояние с более высокой энергией при поглощении фотона».

Принцип таков: когда свет возбуждает электрон, он может одновременно следовать по нескольким различным квантовым путям. Эти пути интерферируют друг с другом, и эта интерференция проявляется в виде специфического рисунка в спине испускаемого электрона. Изучая, как этот рисунок спина изменяется с энергией электрона, команда смогла рассчитать длительность перехода.

Для исследования ученые использовали метод, называемый «спектроскопия фотоэмиссии с разрешением по спину и углу» (SARPES). SARPES включает в себя облучение материала интенсивным синхротронным светом, который повышает энергию электронов, заставляя их покинуть структуру материала, а затем измерение энергии, направления и спина вышедших электронов.

Они исследовали материалы с различными «формами» на атомном уровне. Некоторые из них полностью трехмерны, как обычная медь. Другие, такие как диселенид титана (TiSe₂) и дителлурид титана (TiTe₂), состоят из слабо связанных слоев и ведут себя скорее как плоские листы. Теллурид меди (CuTe) имеет еще более простую, цепочечную структуру. Эти различия делают их идеальными для исследования влияния геометрии на временные характеристики.

Результаты показали четкую закономерность: чем проще и редуцированнее структура материала, тем дольше длится квантовый переход. В обычной трехмерной меди переход был чрезвычайно быстрым и длился около 26 аттосекунд.

В двух слоистых материалах, TiSe₂ и TiTe₂, процесс заметно замедлился, составив около 140–175 аттосекунд. А в CuTe, имеющем цепочечную структуру, переход растянулся более чем на 200 аттосекунд. Это означает, что «форма» материала на атомном уровне сильно влияет на скорость развития квантового события: структуры с более низкой симметрией приводят к более длительным временам перехода.

Дил поясняет: «Помимо получения фундаментальной информации для понимания того, что определяет временную задержку в фотоэмиссии, наши экспериментальные результаты дают дополнительное представление о том, какие факторы влияют на время на квантовом уровне, в какой степени квантовые переходы можно считать мгновенными, и могут проложить путь к окончательному пониманию роли времени в квантовой механике».

Полученные результаты открывают перед физиками новый способ понимания поведения времени в квантовых процессах. Они также предоставляют инструмент для исследования взаимодействия электронов в сложных материалах. Знание продолжительности квантового перехода может помочь ученым в разработке материалов с определенными квантовыми характеристиками и в совершенствовании будущих технологий, основанных на точном контроле квантовых состояний.

Другие участники

Лозаннский центр сверхбыстрых научных исследований (LACUS)

Институт Пауля Шеррера

CY Cergy Paris Université

Университет Париж-Сакле

Университет Западной Богемии

Токийский университет

Финансирование

Швейцарский национальный научный фонд (SNSF)

Программа ERC CZ (TWISTnSHINE)

Ссылки

Фэй Го, Дмитрий Усанов, Эдуардо Б. Гедес, Мауро Фанчиулли, Кайшу Кавагути, Рё Мори, Такеши Кондо, Арно Магрез, Мишель Пуппин, Дж. Хьюго Дил. Зависимость квантовых временных масштабов от симметрии. Newton, 6 февраля 2026 г. DOI: 10.1016/j.newton.2025.100374

Автор: Ник Папагеоргиу

Источник: EPFL