Физики из Германии и США исследовали влияние корреляций между носителями заряда в материале на динамический отклик электрон-дырочных пар при их облучении интенсивным терагерцовым излучением. Для этого они облучали монослой и толстую пленку из диселенида вольфрама инфракрасным и терагерцовыми импульсами и следили за генерацией боковых полос высокого порядка. Эксперименты в такой схеме позволили добиться аттосекундной точности в измерении задержек в движении квазичастиц, вызванных корреляциями.

Исследование опубликовано в Nature.

Временные масштабы физических процессов зачастую служат границами применимости для теорий, с помощью которых физики их описывают. Важны они и для экспериментаторов, поскольку каждый шаг в сторону уменьшения длительности типичных процессов, которые может исследовать установка, дается ученым с большим трудом.

Так, активно исследовать физику фемтосекундных масштабов (приставка «фемто» означает 10^-15), например, движение атомов в молекулах, стало возможным в конце прошлого века благодаря созданию лазеров с соответствующими длительностями импульсов (этому была посвящена Нобелевская премия по химии за 1999 год). Осваивание же аттосекундного диапазона («атто» – 10^-18) происходит лишь в наши дни. На таких временах исследуют задержку при вылете электрона и движение ядер при фотоионизации молекул, а также эффекты когерентности и запутанности молекулярных фрагментов.

Такие эксперименты обычно проводятся со струями атомов и молекул, выбрасываемыми в пустое пространство. Было интересно пронаблюдать аттосекундную динамику в конденсированных средах, однако спектральная ширина аттосекундных импульсов в силу неопределенности Гейзенберга неизбежно больше, чем миллиэлектронвольтные масштабы процессов с участием электронов и дырок в кристаллах. Вместо этого физики обычно применяют терагерцовое излучение с более длительными импульсами. Например, таким способом ученые смогли визуализировать волновые функции легкой и тяжелой дырок, распространяющихся в арсениде галлия.

Группа американских и немецкий физиков под руководством Маккилло Кира (Mackillo Kira) из Мичиганского университета и Руперта Хубера (Rupert Huber) из Регенсбургского университета пошла дальше и исследовала, как меняется динамика электронов и дырок под действием разгоняющего их терагерцового поля, в зависимости от того, каким корреляциям они подвержены в образце. Меняя время начала разгона, они смогли выявить нужные эффекты с субфемтосекундной точностью, обойдя ограничения, накладываемые неопределенностью энергия-время.