Ново откритие в областта на квантовата физика може да отвори пътя към създаването на електронни устройства с безпрецедентна скорост – потенциално до 100 000 пъти по-бързи от съвременната електроника. Международен научен екип е установил и експериментално потвърдил фундаментално ограничение, което не позволява положението на електрона в пространството и поведението му във времето да бъдат определени с неограничена точност едновременно. Откритието, наречено „пространствено-времеви предел“ (space-time limit), разкрива нова особеност на квантовия свят и може да има значителни последици за развитието на квантовите технологии, свръхбързата електроника и контрола върху химичните реакции.

Нов поглед към движението на електроните

Квантовата физика поставя фундаментални граници пред възможностите на учените да определят поведението на частиците. Добре познатият принцип на неопределеността на Вернер Хайзенберг гласи, че определени физични характеристики на една частица, като нейното положение и импулс, не могат да бъдат измерени едновременно с произволно висока точност. Това ограничение не произтича от несъвършенството на измервателните уреди, а е заложено в самите закони на природата.

Положението и времето обаче са различен случай. Принципът на Хайзенберг не налага същото ограничение върху тези две величини. Сега учените са демонстрирали експериментално, че съществува друга фундаментална зависимост: местоположението на електрона и моментът, в който той извършва определено движение, също не могат да бъдат установени с произволна точност едновременно. Това откритие разкрива скрита връзка между пространственото и времевото измерение на квантовите процеси.

Разбирането на поведението на материята в най-малките мащаби е от ключово значение за създаването на технологиите на бъдещето. Разработването на по-ефективни решения за чиста енергия, квантови компютри и мощни електронни системи за изкуствен интелект зависи от способността на учените да проследяват химичните реакции, взаимодействието между светлината и материалите и движението на електроните в електронните устройства. За тази цел обаче не е достатъчно да се получи изключително детайлно изображение на атомно ниво – необходимо е да се проследи и как тези процеси се променят във времето, подобно на заснемането на забавен каданс на събития, протичащи в атомния свят.

В Регенсбург изследователите разработват ултрабързи микроскопи, способни да регистрират движението на електрони, атоми и молекули с изключителна пространствена и времева точност. Преди около десет години учените там за първи път успяват да проследят движението на отделна молекула едновременно в пространството и времето чрез ултрабърза сканираща тунелна микроскопия. Проследяването на отделни електрони обаче представлява още по-голямо предизвикателство. На тези микроскопични разстояния електроните могат да се движат приблизително хиляда пъти по-бързо от атомите и молекулите, като съществените промени настъпват в рамките на атосекунди.

За да се добие представа за тези мащаби, един атом е приблизително десет милиона пъти по-малък от милиметър, а една атосекунда представлява една милиардна от една милиардна част от секундата (10⁻¹⁸ секунди). Разликата между една атосекунда и една секунда е съпоставима с разликата между една секунда и цялата възраст на Вселената. Измерванията на подобни процеси са особено трудни, тъй като електроните не се държат като обикновени обекти, а се подчиняват на необичайните закони на квантовата механика.

Ултрабързи лазери разкриват квантовото тунелиране

За да наблюдават поведението на електроните при толкова високи скорости, изследователите създават нова лазерна система, която осигурява значително по-висока времева разделителна способност в сравнение с предишните експерименти. Тя позволява прецизен контрол и директно изследване на квантовото движение на отделни електрони. В експериментите внимателно синхронизирани лазерни импулси насочват електрони от изключително остър метален връх към повърхността на сребро, като разстоянието, което те изминават, е само няколко атомни диаметъра.

Движението се регистрира чрез измерване на възникващия електрически ток. За да установят точно кога се придвижват електроните, учените използват два светлинни импулса, разделени от прецизно контролиран времеви интервал. „Чрез промяна на интервала между двата лазерни импулса можем директно да наблюдаваме как реагират електроните“, обяснява Симон Майер, водещ автор на научната публикация. Този подход разкрива убедителни доказателства за движение на електрони в атосекундни времеви мащаби и позволява процесът да бъде наблюдаван практически в момента на протичането му.

Особено интересно е, че електроните не се придвижват по начина, по който бихме очаквали от класическите частици. Те проявяват вълнови свойства, които им позволяват да преминават през енергийна бариера между металния връх и сребърната повърхност, въпреки че според класическата физика не би трябвало да разполагат с достатъчно енергия, за да я преодолеят. Това явление е известно като квантово тунелиране и може образно да бъде сравнено с преминаването на обект през плътна стена, без тя да бъде разрушена или повредена. „Нашият метод на измерване може да бъде разбран като високоскоростна камера за електронните вълнови пакети, тъй като позволява да се види в кой момент настъпва процесът на тунелиране“, обяснява докторантката Катарина Гльокл, съавтор на изследването.

Неочаквано забавяне от 500 атосекунди

За да анализират по-задълбочено получените резултати, изследователите, работещи с професор Анхел Рубио, извършват сложни квантови симулации на поведението на електроните в близост до новооткрития пространствено-времеви предел. Изчисленията възпроизвеждат в голяма степен експерименталните наблюдения, но разкриват и още една изненадваща подробност: електроните не реагират мигновено на светлинното поле. Вместо това тяхното движение изостава спрямо него с приблизително 500 атосекунди.

При толкова малки времеви мащаби едновременно се проявяват няколко фундаментални особености на квантовата физика. Учените установяват например, че лазерните импулси не могат да бъдат описани изцяло нито като вълни, нито като поток от отделни частици светлина, наречени фотони. Взаимодействието им с електроните проявява характеристики и на двете описания, а съчетаването им се оказва необходимо за изследването на електронното поведение толкова близо до фундаменталната пространствено-времева граница.

Екипът открива също, че управлението на движението на електроните в изключително кратки интервали променя начина, по който те са разпределени в пространството. В квантовата механика електроните се описват чрез т.нар. вълнови пакети, които представят пространственото разпространение на техните вълнови свойства. Именно зависимостта между времевата точност на електронното движение и пространственото разпространение на тези вълнови пакети разкрива основното ограничение, установено в изследването.

„Колкото по-прецизно искаме да определим положението на електрона във времето, толкова повече енергия трябва да му предоставим. В резултат на това неговият вълнов пакет се разпространява на по-голяма пространствена област“, обяснява съавторът на изследването Рафаел Шпаххолц. С други думи, постигането на по-висока времева точност има своята цена: колкото по-точно учените определят момента на движение на електрона, толкова по-размито става пространственото му разпределение.

За да изследват експериментално тази зависимост, учените поставят единичен атом върху повърхността, с което ограничават електронните вълнови пакети в изключително малка област непосредствено преди пристигането на лазерните импулси. Така те успяват директно да измерят връзката между пространственото разпределение на електроните и времето на тяхното движение. Важно е, че дори когато електроните получават значително количество енергия от лазерните импулси, вълновите им пакети остават достатъчно локализирани, за да позволят микроскопски наблюдения с атомна пространствена и атосекундна времева разделителна способност.

Възможна ли е електроника стотици хиляди пъти по-бърза от днешната?

Освен че разкрива нова особеност на квантовото поведение, откритието може да постави основите на технологии, работещи със скорости, далеч надхвърлящи възможностите на съвременната електроника. Едно от най-обещаващите приложения е използването на прецизно контролирани електронни вълнови пакети за въздействие върху химични реакции. Прехвърлянето на един-единствен електрон към молекула представлява възможно най-малкия пренос на електричен заряд. Когато обаче този електрон бъде концентриран в изключително малък пространствено-времеви обем, локалната пикова плътност на електрическия ток може да достигне до един трилион ампера на квадратен сантиметър.

Подобни екстремни условия биха могли да предоставят на учените изцяло нови възможности за контрол върху химичните връзки и за наблюдение на промените, които настъпват в молекулите по време на химичните реакции. Вместо единствено да изучават вече протекли процеси, изследователите биха могли целенасочено да предизвикват определени реакции чрез насочване на електрони с изключителна пространствена и времева прецизност. „В бъдеще искаме да използваме подобни вълнови пакети, за да задействаме конкретни химични реакции и да наблюдаваме как химичните връзки могат да бъдат разкъсвани или променяни в съответните пространствени и времеви мащаби“, посочва професор Яша Реп.

Потенциалните приложения обаче далеч не се ограничават до химията. По-добрият контрол върху движението на електроните може в бъдеще да помогне на инженерите да разработят електронни устройства и системи за квантова обработка на информация, които работят със скорости, доближаващи се до фундаменталната граница на самото движение на електроните. Според професор Руперт Хубер новите знания биха могли в дългосрочен план да допринесат за създаването на електроника и квантови информационни системи, работещи със скорости стотици хиляди пъти по-високи от тези на доминиращата днес CMOS технология – основата на съвременните процесори и интегрални схеми.

Учените обаче подчертават, че подобна технологична революция все още е дългосрочна цел, а не резултат, постигнат в настоящите експерименти. Изследването не демонстрира създаването на процесор или електронно устройство, което е 100 000 пъти по-бързо от съвременните аналози. То установява фундаментални физични зависимости и предоставя нов инструмент за изследване и управление на електроните в най-малките пространствени и времеви мащаби. Именно това може да се окаже решаващата стъпка към разработването на бъдещи технологии, които използват естествената скорост на квантовите процеси.

За Яша Реп и Руперт Хубер резултатите показват, че потенциалните приложения на електроните, изследвани в границите на пространствено-времевия предел, са изключително широки. Според двамата ръководители на проекта бъдещите възможности за управление на електронното движение може в крайна сметка да бъдат ограничени повече от човешкото въображение, отколкото от самите закони на природата.

Снимка: Unsplash

Виж още: Скалa, потънала на 90 километра под земната повърхност, разкри неочаквана загадка