Физики впервые напрямую проследили, как электроны в графене пересекают энергетические разрывы, которые обычно считаются недоступными для них. Для этого учёные создали установку, способную фиксировать сверхбыстрые процессы в замедленном виде. Исследование показало, что сильное электрическое поле света может переводить электроны между разными энергетическими состояниями.
Наблюдавшийся процесс получил название переходов Ландау—Зенера—Майораны. В обычных материалах электроны занимают определённые энергетические зоны, а между ними находятся запрещённые интервалы. Под воздействием мощных световых импульсов электроны в графене ускоряются и переходят из одной зоны в другую, преодолевая такой интервал благодаря квантово-механическому эффекту.
В работе участвовали специалисты Университета Регенсбурга, Марбургского университета имени Филиппа и Исследовательского центра Юлиха, а её результаты опубликованы в журнале Nature. Учёные объединили лазерную технологию с электронной микроскопией и использовали фотоэмиссионный микроскоп для измерения энергии и движения электронов. Как сообщает сайт ScienceDaily, это позволило наблюдать поведение частиц в масштабе времени, недоступном обычным методам съёмки.
Исследователи сравнили новый прибор с камерой, которая позволяет увидеть всех участников очень быстрой гонки одновременно. Такой подход необходим, чтобы зафиксировать отдельные электроны, совершающие квантовый переход, среди большого числа частиц. По словам участников проекта, теперь движение электронов через энергетическую структуру твёрдого тела можно отслеживать в реальном времени.
Для эксперимента использовали почти идеальные образцы графена толщиной в один атом, изготовленные в Исследовательском центре Юлиха. Особую роль сыграл «повёрнутый» графен, который помог чётче выявить квантовую динамику и отделить её от влияния дефектов. При достаточно сильном световом поле вероятность перехода электронов через запрещённый энергетический интервал достигала 100 процентов.
Учёные установили, что решающим фактором является скорость приближения электронов к энергетическому разрыву под действием электрического поля. Этот механизм отличается от обычного квантового туннелирования, при котором частица проходит через пространственный барьер. Разработанный метод может применяться к другим квантовым материалам и помочь создать электронные устройства, управляемые быстрыми колебаниями света, а не только электрическим напряжением.