Фізики вперше безпосередньо зафіксували, як електрони в графені здійснюють начебто неможливі стрибки через заборонені енергетичні щілини, причому для деяких переходів імовірність досягає 100%. Про це повідомляє команда з Університету Регенсбурга, університету Філіпса в Марбурзі та дослідницького центру Forschungszentrum Jülich у матеріалі на ScienceDaily.
Квантові стрибки між енергетичними рівнями
У твердих тілах електрони можуть займати лише певні діапазони енергій — енергетичні зони. Між ними лежать заборонені щілини, де стійкі стани зазвичай неможливі. У звичайних умовах електрони залишаються в межах своєї зони і не перетинають ці прогалини.
Під час експериментів з графеном — надтонким шаром атомів вуглецю — дослідники побачили іншу картину. Інтенсивні світлові імпульси створювали сильне електричне поле, яке розганяло електрони. Коли електрони в нижній, валентній зоні підлітали до верхньої, провідникової зони з достатньою швидкістю, вони переходили через заборонену щілину за квантовомеханічним сценарієм, відомим як переходи Ландау–Зенера–Майорана (Landau–Zener–Majorana).
Автори порівнюють це з ліфтом, де індикатор поверхів раптом змінюється з «1, 2, 3» одразу на «20», минаючи всі проміжні значення. У повсякденному світі це неможливо, але на квантовому рівні електрони можуть робити подібні «стрибки» між енергетичними станами.
Повільна «камера» для надшвидких електронів
Щоб побачити ці надшвидкі процеси, команда розробила нову експериментальну методику, яка поєднує передові лазери з електронною мікроскопією. Вона дає змогу спостерігати динаміку електронів на часових масштабах, недосяжних для класичних методів візуалізації.
Ключовим інструментом став мікроскоп імпульсного фотоемісійного імпульсного простору (photoemission momentum microscope). На відміну від звичайного мікроскопа, який формує збільшене зображення поверхні, цей прилад вимірює енергії електронів та їхній імпульс, тобто те, як вони рухаються. З цих даних дослідники будують детальні «карти», що показують розподіл електронів по енергетичних станах.
Одне з головних технічних завдань полягало в тому, щоб поєднати такі вимірювання з сильними світловими полями, які коливаються з надвисокою частотою. Потрібно було одночасно й розгойдувати електрони світлом, і стежити за тим, як змінюються їхня енергія та напрямок руху практично в реальному часі.
За словами члена команди Руперта Губера (Rupert Huber), тривала робота над експериментом зрештою дала змогу «відстежувати рух електронів по всьому енергетичному ландшафту твердого тіла в реальному часі».
Надчистий графен як умова успіху
Ключову роль у відкритті відіграв сам зразок матеріалу. Експеримент вимагав винятково чистого графену, виготовленого у Forschungszentrum Jülich. Ці шари вуглецю завтовшки лише один атом мали бути майже ідеальними, щоб домішки не «розмазували» тонкі квантові ефекти.
Стефан Таутц (Stefan Tautz) наголошує, що для таких прецизійних вимірювань потрібний матеріал із практично досконалою кристалічною решіткою. Важливою була й спеціальна конфігурація так званого «повернутого» графену: певний поворот шарів один відносно одного дозволив ще чіткіше побачити квантову динаміку.
Завдяки таким зразкам науковці змогли відділити справжні квантові переходи від ефектів, пов’язаних із дефектами чи нечистотою кристалу.
100% імовірність переходу і чим це відрізняється від тунелювання
Отримані дані виявилися вражаючими. При достатньо сильному світловому полі електрони переходили через заборонену енергетичну щілину з імовірністю до 100%. Це одна з найнеочікуваніших рис переходів Ландау–Зенера–Майорана: електрони можуть міняти енергетичні стани з дуже великою імовірністю, навіть якщо між ними існує помітна енергетична різниця.
Визначальним чинником виявилася не ширина щілини, а швидкість, з якою електрон під дією електричного поля наближається до неї. Саме це відрізняє спостережене явище від звичного квантового тунелювання, коли частинка проходить через потенціальний бар’єр у просторі. У випадку Landau–Zener–Majorana електрон «перемикається» між енергетичними станами в енергетичному просторі, а не просто просочується крізь просторову перешкоду.
Крок до електроніки, керованої світлом
Окрім фундаментального інтересу, нова методика відкриває шлях до практичних застосувань. Вона допомагає розібратися, що саме заважає електронам рухатися цілком впорядковано й передбачувано в реальних матеріалах.
У графені вчені вже помітили, що спершу електрони рухаються дуже впорядковано під дією світлового поля, але з часом взаємодія з кристалічною решіткою починає цей рух розладнувати. Розуміння таких процесів може підказати, як точніше керувати електронами й мінімізувати небажані розсіяння.
Такі знання особливо важливі для майбутньої електроніки, де надшвидкі коливання світла можуть спрямовувати електрони, частково замінюючи традиційне керування напругою. Це потенційно відкриває можливості маніпулювати електричними властивостями матеріалів на надвисоких частотах.
Дослідники очікують, що їхній підхід працюватиме і для багатьох інших квантових матеріалів. Це дасть змогу вивчати раніше недоступну динаміку електронів і, можливо, знаходити нові способи її контролю.
Г’ячомо Інцані (Giacomo Inzani) з університету Регенсбурга наголошує, що йдеться лише про початок ширшого дослідження: експеримент, за його словами, відкриває «панорамне вікно в квантовий світ», дозволяючи в реальному часі стежити за тим, як електрони рухаються енергетичним ландшафтом матеріалу. Та сама методика може бути застосована до інших квантових систем, відкриваючи нові можливості селективного керування їхніми електронними властивостями за допомогою світла.