Принцип неопределенности Гейзенберга запрещает одновременно точно измерить положение и импульс квантовой частицы. При этом для координат и времени такого жесткого ограничения природа не устанавливает. Физики давно пытаются разобраться, как именно пространственная форма электрона меняется с течением времени при внешнем воздействии.
Разработчикам технологий, от квантовых компьютеров до новых катализаторов, нужно точно понимать, как ведет себя материя на микроуровне. Для этого недостаточно статичных визуализаций атомов. Ученым требуется замедленная съемка сверхбыстрых процессов, показывающая перемещение частиц.
Десять лет назад физики впервые отследили движение отдельной молекулы. Электроны же двигаются в тысячу раз быстрее молекул. Их перемещения происходят на масштабах аттосекунд — это миллиардные доли миллиардной доли секунды. До сих пор микроскопы могли различать отдельные атомы, а лазеры улавливали сверхбыстрые процессы, но объединить два подхода на масштабе одного электрона не удавалось.
Авторы нового исследования смогли отследить, как одиночный электрон туннелирует сквозь энергетический барьер под воздействием света. Результаты опубликовали в журнале Nature Photonics.
Физики направляли на острую металлическую иглу сканирующего туннельного микроскопа ультракороткие лазерные импульсы. Свет создавал электрическое поле, которое заставляло одиночные электроны перепрыгивать с острия иглы на поверхность серебра через микроскопический вакуумный зазор. По законам классической механики у частицы не хватило бы энергии для преодоления такой пустоты, но электрон вел себя как квантовая волна и туннелировал сквозь препятствие.
Чтобы детально зафиксировать этот прыжок, исследователи меняли время задержки между двумя вспышками света и измеряли возникающий электрический ток. Для проверки ученые дополнительно создали полную компьютерную модель процесса.
Эксперимент показал задержку реакции частиц на свет. По компьютерной модели, электрон следовал за световым полем не мгновенно, а с отставанием в 500 аттосекунд. Физики варьировали энергию лазера в диапазоне от 36 до 171 пикоджоуля и заметили закономерность: чем точнее свет фиксировал положение электрона во времени, тем сильнее волновая форма частицы размазывалась в пространстве.
Несмотря на риск размытия, исследователи подобрали параметры, при которых электронная волна оставалась компактной. Это позволило получить четкое изображение одиночного атома меди на серебряной поверхности, используя для сканирования сверхкороткие всплески тока. Резкость картинки атома на практике доказала, что туннелирующие электроны сохраняли строгую локализацию в пространстве.
Исследователи впервые засняли форму электронного волнового пакета прямо в момент его квантового прыжка. Локализовав электрон в пределах нескольких ангстрем за время менее одной фемтосекунды, ученые на практике достигли пространственно-временного предела микроскопии.
В будущем этот метод позволит химикам не просто наблюдать за веществом, но и конструировать его: точечно запускать реакции и в реальном времени смотреть, как рвутся межатомные связи. Также если эти принципы удастся перенести из лабораторного вакуума в микросхемы, вычислительные системы достигнут предельной скорости электронов.