Физики впервые отследили электрон на квантово-механическом пространственно-временном пределе
Сканирующая туннельная микроскопия достигла квантово-механического предела пространства-времени. Физики провели эксперимент и смоделировали перемещение одиночного электрона с атомарной точностью и скоростью в доли фемтосекунды. Результат показал границы применимости квантовых законов и объяснил механику сверхбыстрых процессов.
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.
Telegram 
Дзен 
VK Инфекции, такие как коронавирус, наносят серьезный удар организму, из-за чего даже после выздоровления он продолжительное время остается уязвимым. Сегодня для оценки иммунитета врачи смотрят в первую очередь на уровень антител в крови, однако такой подход не отражает реального состояния здоровья человека. Это не позволяет врачам точно прогнозировать, как будет протекать болезнь и насколько быстро пациент выздоровеет. Ученые Пермского Политеха и ПГАТУ впервые выяснили, как именно восстановление иммунитета зависит от пола человека и кто наиболее подвержен осложнениям после коронавирусной инфекции. Результаты исследования помогут правильно учитывать гендерные особенности пациента при лечении и реабилитации, что повысит точность прогнозов и эффективность терапии.
Ученые синтезировали три новых комплекса металла европия и нашли способ управлять яркостью их свечения (люминесценции). Подобные светящиеся соединения востребованы в биологии и медицине для визуализации тканей и отслеживания распределения лекарств по организму, а также в технике при разработке энергоэффективных дисплеев и светодиодов.
Физики Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ совместно с коллегами из Алферовского университета и ИТМО показали, как управлять свечением углеродных точек, помещая их на полупроводниковые нанопровода.
Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Сканирующая туннельная микроскопия достигла квантово-механического предела пространства-времени. Физики провели эксперимент и смоделировали перемещение одиночного электрона с атомарной точностью и скоростью в доли фемтосекунды. Результат показал границы применимости квантовых законов и объяснил механику сверхбыстрых процессов.
Плавящийся асфальт в США, многие тысячи погибших в Западной Европе, своеобразное лето в России — все это списывают на вредоносный феномен рекордного Эль-Ниньо. И конечно же, на него спихивают и ожидаемый рост цен на кофе и основные сельхозтовары. Правда, есть в этой картине и белые пятна: в прошлые Эль-Ниньо мировые урожаи росли. Что скорее всего случится в 2026 году и отчего роль этого события может быть куда больше, чем мы думаем?
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно
Последние комментарии