Международная группа физиков экспериментально обнаружила фундаментальное ограничение, связанное с одновременным определением положения электрона и характера его движения во времени. Исследователи назвали этот эффект пространственно-временным пределом. Он показывает, что координату электрона в пространстве и момент его движения нельзя установить с произвольной точностью одновременно.
Работу выполнили специалисты Центра сверхбыстрой наноскопии в Регенсбурге и Института Макса Планка в Гамбурге. Как сообщает сайт ScienceDaily, учёные наблюдали за электронами с помощью усовершенствованной лазерной системы и сверхбыстрой сканирующей туннельной микроскопии. Эти методы позволили изучать процессы, происходящие за считанные аттосекунды — миллиардные доли миллиардной доли секунды.
В эксперименте лазерные импульсы направляли электроны от острого металлического наконечника к поверхности серебра. Расстояние между ними составляло всего несколько атомных диаметров, а движение фиксировали по возникающему электрическому току. Два световых импульса подавались с точно заданным промежутком, благодаря чему учёные смогли определить реакцию электронов во времени.
Наблюдения подтвердили, что электроны перемещаются как квантовые волны и способны проходить через энергетический барьер, несмотря на недостаток энергии с точки зрения классической физики. Это явление известно как квантовое туннелирование. Компьютерное моделирование показало, что реакция электронов отстаёт от воздействия светового поля примерно на 500 аттосекунд.
Учёные установили, что повышение точности определения момента движения электрона приводит к пространственному расширению его волнового пакета. Чтобы проверить эту зависимость, исследователи разместили на поверхности отдельный атом, ограничив область распространения электронного пакета перед воздействием лазера. Даже после получения значительной энергии электроны сохраняли локализацию, достаточную для наблюдений с атомным пространственным и аттосекундным временным разрешением.
Результаты могут помочь в разработке технологий, работающих на предельно высоких скоростях. В частности, управляемые электронные волновые пакеты потенциально позволят направленно запускать химические реакции и наблюдать за изменением связей в молекулах. В перспективе более точный контроль движения электронов может использоваться в электронике и системах обработки квантовой информации, скорость которых будет приближаться к фундаментальному пределу динамики электронов.