Физики Колумбийского университета впервые экспериментально обнаружили в металлическом материале электронные волны, которые остаются связанными, хотя у них есть доступные пути для выхода. Результаты исследования опубликованы в журнале Science. Наблюдение стало подтверждением давно предсказанного квантового явления.
Локализованные состояния возникли возле атомных дефектов в металле Pd5AlI2. Их удерживает не обычный барьер, а квантовая интерференция. «Связанные электроны не должны возникать в металле, но в Pd5AlI2 они есть. Мы наблюдали первое убедительное свидетельство того, что квантовая интерференция способна удерживать состояние в металле», — сказала теоретический физик Колумбийского университета Ракель Кейрос.
В квантовой механике электрон описывается как волна, способная распространяться сразу по нескольким возможным траекториям. При наложении волн они могут усиливать или взаимно гасить друг друга. В некоторых условиях разрушительная интерференция не даёт электронной волне распространяться, даже если другие состояния в том же материале перемещаются свободно.
Такой эффект называют связанным состоянием в континууме (BIC). «Квантовая механика предсказывает, что электронная волна теоретически может оставаться в ловушке даже при бесконечном числе путей для выхода. Этот эффект известен для световых волн, но раньше его не наблюдали у электронов», — пояснила Кейрос.
Материал Pd5AlI2 создали в лаборатории химика Колумбийского университета Ксавьера Роя. Металл можно разделять на тонкие двумерные слои, сохраняя его металлические свойства, однако измерения показали, что электроны в нём движутся медленнее ожидаемого. Совместная работа Кейрос, физиков Кори Дина и Аравинда Девараконды, ранее работавшего постдокторантом в Колумбийском университете, показала связь этого поведения с фрустрацией электронных переходов; результаты опубликовал журнал Nature Physics.
Атомная структура Pd5AlI2 создаёт для электронов конкурирующие маршруты перехода между атомами, поэтому интерференция подавляет их движение. Позднее группа физика Колумбийского университета Абхая Пасупати обнаружила необычные картины при сканировании кристалла и спектроскопии на атомном уровне. Теоретические модели Кейрос объяснили появление локализованных состояний.
Связанные состояния в континууме уже получали для света, применяя их в лазерах, оптических сенсорах и нелинейной оптике. По словам Роя, теперь аналогичный эффект удалось реализовать для электронов в металле: «Если вы удерживаете частицу, то можете ею управлять». В будущем такие состояния могут использоваться в высокочувствительных квантовых сенсорах, обработке квантовой информации и квантовой химии.
Пока электронные ловушки в Pd5AlI2 возникают возле дефектов, случайно формирующихся во время роста кристалла. Рой и Пасупати изучают способы намеренно размещать такие дефекты и управлять возникающими интерференционными картинами. Работа опубликована 22 октября 2026 года в Science под названием «Electronic bound states in the continuum in a two-dimensional metal»; DOI: 10.1126/science.adt9825.