Квантові переходи не миттєві: фізики вперше виміряли тривалість у атосекундах

Майже сто­лі­т­тя кван­то­ва меха­ні­ка жила з мов­ча­зною домов­ле­ні­стю: пере­хід еле­ктро­на між енер­ге­ти­чни­ми ста­на­ми від­бу­ва­є­ться мит­тє­во. Не тому, що це дове­ли, а тому, що ніхто не міг це вимі­ря­ти. «Миттєво» зру­чно закри­ва­ло пита­н­ня там, де закін­чу­ва­ли­ся можли­во­сті екс­пе­ри­мен­ту. Але у 2025 році група фізи­ків зі Швейцарії та Японії вирі­ши­ла пере­ві­ри­ти це при­пу­ще­н­ня — і зро­би­ла те, що довго вва­жа­ло­ся немо­жли­вим: зафі­ксу­ва­ла три­ва­лість кван­то­во­го переходу.

Йдеться про фото­емі­сію — про­цес, під час якого фотон виби­ває еле­ктрон із твер­до­го тіла. З’ясувалося, що цей «нульо­вий» у часі пере­хід насправ­ді три­ває від 26 до 209 ато­се­кунд зале­жно від симе­трії кри­ста­лу. Для розу­мі­н­ня мас­шта­бу: одна ато­се­кун­да спів­від­но­си­ться із секун­дою при­бли­зно так само, як секун­да — з віком Всесвіту. Це часо­вий інтер­вал настіль­ки малий, що сві­тло за нього не всти­гає прой­ти навіть між сусі­дні­ми ато­ма­ми. Проте саме його вда­ло­ся виміряти.

Чому «миттєво» було зручним міфом

У стан­дар­тній кван­то­вій тео­рії час — не опе­ра­тор, як коор­ди­на­та чи імпульс, а пара­метр. Тобто він не має вла­сно­го вимі­рю­ва­но­го ста­ту­су. Коли фізи­ки гово­ри­ли про мит­тє­вий пере­хід, вони факти­чно вико­ри­сто­ву­ва­ли так зване «рапто­ве набли­же­н­ня»: еле­ктрон був у стані А, і ось він уже в стані B. Що від­бу­ва­ло­ся між цими двома момен­та­ми — пита­н­ня вва­жа­ло­ся некоректним.

Однак ще у сере­ди­ні ХХ сто­лі­т­тя тео­ре­ти­ки запро­по­ну­ва­ли фор­маль­ний опис затрим­ки під час пере­хо­ду — так зва­ний час Ейзенбуда — Вігнера — Сміта. Суть ідеї про­ста: якщо еле­ктрон при вза­є­мо­дії з фото­ном набу­ває дода­тко­вої фази, ця фаза пов’язана з кін­це­вою три­ва­лі­стю про­це­су. Проблема поля­га­ла лише в тому, щоб вимі­ря­ти її експериментально.

Як виміряти час без годинника

Зазвичай над­швид­кі про­це­си вивча­ють за допо­мо­гою ато­се­кун­дних лазер­них імпуль­сів. Але такі мето­ди дають лише від­но­сні затрим­ки — різни­цю між двома кана­ла­ми. Абсолютний час зали­шав­ся недоступним.

Швейцарські дослі­дни­ки обра­ли інший шлях — через спін еле­ктро­на. Коли ліній­но поля­ри­зо­ва­не сві­тло падає на кри­стал під кутом, еле­ктри­чне поле роз­кла­да­є­ться на дві ком­по­нен­ти. Кожна з них збу­джує вла­сний канал фото­емі­сії. Ці кана­ли інтер­фе­ру­ють, і резуль­тат про­яв­ля­є­ться у спі­но­вій поля­ри­за­ції вилі­та­ю­чих електронів.

Спін у цій схемі став «від­би­тком» фази пере­хо­ду. А оскіль­ки фаза пов’язана з часом, зміна спі­но­вої поля­ри­за­ції з енер­гі­єю дозво­ли­ла обчи­сли­ти абсо­лю­тну три­ва­лість про­це­су. Жодного зов­ні­шньо­го «тика­н­ня» — еле­ктрон сам стає хронометром.

Симетрія як регулятор часу

Результати вияви­ли­ся неспо­ді­ва­но систем­ни­ми. Вимірювання показали:

1. У три­ви­мір­ній міді (Cu(111)) пере­хід три­ває при­бли­зно 26 атосекунд.
2. У квазі-дво­ви­мір­них мате­рі­а­лах (TiSe₂, TiTe₂, гра­фен) — вже 140 – 176 атосекунд.
3. У квазі-одно­ви­мір­но­му телу­ри­ді міді (CuTe) — понад 200 атосекунд.

Чим нижча про­сто­ро­ва роз­мір­ність і менша симе­трія кри­ста­лу, тим довше три­ває кван­то­вий пере­хід. Це озна­чає, що клю­чо­вим факто­ром є не лише сила еле­ктрон­них вза­є­мо­дій, а гео­ме­трія структури.

Цей висно­вок осо­бли­во ціка­вий, оскіль­ки різні мате­рі­а­ли з різною силою еле­ктрон­них коре­ля­цій пока­за­ли схожі часо­ві мас­шта­би. Отже, саме про­сто­ро­ве впо­ряд­ку­ва­н­ня, а не лише вза­є­мо­дії, визна­чає «ритм» переходу.

Чому це важливо

На пер­ший погляд різни­ця між 26 і 200 ато­се­кун­да­ми зда­є­ться несут­тє­вою. Але для фун­да­мен­таль­ної фізи­ки це прин­ци­по­во. Якщо кван­то­вий пере­хід має скін­чен­ну три­ва­лість, а ця три­ва­лість зале­жить від симе­трії, то ми отри­му­є­мо новий інстру­мент дослі­дже­н­ня матеріалів.

Потенційні засто­су­ва­н­ня включають:

1. Аналіз силь­но­ко­ре­льо­ва­них систем — над­про­від­ни­ків, важ­ких фер­міо­нів, мате­рі­а­лів з вузь­ки­ми зонами.
2. Нові під­хо­ди до кван­то­вих техно­ло­гій, де часо­ві мас­шта­би пере­хо­дів можуть впли­ва­ти на керу­ва­н­ня кван­то­ви­ми станами.

Фактично спін-роз­ді­ле­на ато­се­кун­дна спе­ктро­ско­пія може стати аль­тер­на­тив­ним спосо­бом оцін­ки вла­сти­во­стей мате­рі­а­лів — не через спе­ктраль­ні шири­ни чи тем­пе­ра­ту­ри пере­хо­дів, а через саму три­ва­лість еле­мен­тар­но­го процесу.

Час перестає бути фоном

Це дослі­дже­н­ня має ще одну, більш філо­соф­ську сто­ро­ну. У кван­то­вій меха­ні­ці час довго зали­шав­ся лише пара­ме­тром ево­лю­ції. Тепер він про­яв­ля­є­ться як фізи­чно вимі­рю­ва­на вели­чи­на, пов’язана з кон­кре­тни­ми вла­сти­во­стя­ми матерії.

Симетрія кри­ста­лу впли­ває на «вну­трі­шній годин­ник» еле­ктро­на так само, як гра­ві­та­ція впли­ває на хід макро­ско­пі­чних годин­ни­ків у тео­рії від­но­сно­сті. Це не озна­чає появу нової тео­рії часу, але демон­струє, що навіть у кван­то­во­му світі він має вла­сну структуру.

Квантові пере­хо­ди вияви­ли­ся не мит­тє­ви­ми. Їхня три­ва­лість — над­зви­чай­но мала, але реаль­на. І вона містить інфор­ма­цію про саму гео­ме­трію мате­рії. Час, схоже, не про­сто тече. Він зале­жить від того, через яку стру­кту­ру проходить.