Физики из Регенсбургского университета наблюдали сдвиг квантованного электронного уровня с помощью атомных колебаний со скоростью, превышающей триллионную долю секунды. Ученые при этом смогли контролировать процесс. Подобные открытия могут иметь решающее значение для развития сверхбыстрых квантовых технологий.

Одна из странностей квантовой физики заключается в том, что частицы, например электроны, могут принимать только квантованные значения энергии — как если бы мяч, подброшенный в воздух, прыгал между определенными высотами, а не летал непрерывно. Но электронные уровни могут смещаться в результате столкновений с другими электронами или атомами. Процессы в квантовом мире обычно происходят на атомном уровне и к тому же невероятно быстры.

Используя новый тип сверхбыстрого микроскопа, ученым удалось напрямую наблюдать с атомным разрешением в сверхбыстрых временных масштабах, как энергия отдельного электрона настраивается вибрациями окружающих атомов. Физики использовали атомарно тонкий материал, чтобы исследовать, как меняется дискретный уровень энергии, когда этот атомный слой движется вверх и вниз, как мембрана барабана.

Исследователи обнаружили, что они могут изменить дискретный энергетический уровень дефекта — вакансии, вызывая барабанную вибрацию атомно-тонкой мембраны: атомное движение окружающих атомов смещается и, таким образом, контролирует энергетический уровень вакансии.

Чтобы отслеживать, как меняется уровень энергии, необходимо делать стробоскопические снимки уровня энергии, причем каждый снимок записывается менее чем за триллионную долю секунды, быстрее, чем пикосекунды, – Кармен Рёлке, соавтор исследования.

Чтобы наблюдать стремительные и крошечные изменения, ученые использовали энергетическое и пространственное разрешение сканирующего туннельного микроскопа. В то же время использование специально подобранных ультракоротких лазерных импульсов позволяет записывать чрезвычайно быструю динамику в замедленном режиме.