Исследователи из Колумбийского университета зафиксировали первое экспериментальное доказательство квантового феномена, при котором электронные волны оказываются заперты внутри металла. Результаты работы, опубликованные в журнале Science 22 октября 2026 года, открывают новые возможности для создания квантовых технологий.
В обычном металле электроны способны свободно перемещаться по кристаллической решетке подобно волнам, бегущим по поверхности моря. Однако новые данные, полученные специалистами из Колумбийского университета, демонстрируют, что при определенных квантовых условиях электроны могут оставаться неподвижными даже при наличии свободных путей для движения.
Квантовая интерференция в металле Pd5AlI2
–>Запертые электронные волны были обнаружены вблизи атомных дефектов специфического металла — Pd5AlI2. Этот материал был разработан в лаборатории химика Ксавье Роя (Xavier Roy). Особенность вещества заключается в том, что оно разделяется на тонкие двухмерные слои, сохраняя при этом свои металлические свойства. Проведенные измерения показали, что электроны в нем перемещаются значительно медленнее предполагаемого.
К физикам-теоретикам и экспериментаторам присоединились Кори Дин (Cory Dean) и Аравинд Деварандонда (Aravind Devarakonda). Совместно ученые выяснили, что причиной такого поведения служит так называемая фрустрация электронного прыжка (electron hopping frustration). Структура кристаллической решетки создает конкурирующие траектории для перемещения электронов между атомами, в результате чего деструктивная интерференция подавляет их движение.
Связанные электроны не должны возникать в металле, но они существуют в Pd5AlI2. То, что мы наблюдали, — это первое четкое свидетельство квантовой интерференции, удерживающей состояние в металле.
Ракель Кейрос (Ракель Queiroz), физик-теоретик из Колумбийского университета
Экспериментальное наблюдение связанных состояний в континууме
–>Квантовая механика описывает электроны в виде волн, способных распространяться по разным путям. При наложении такие волны могут усиливать или взаимно гасить друг друга. Деструктивная интерференция способна блокировать распространение электронной волны, несмотря на доступность других путей в материале. Этот эффект получил название «связанное состояние в континууме» (bound state in the continuum, BIC).
Квантовая механика предсказывает, что электронная волна может теоретически оставаться запертой даже при наличии бесконечного множества путей для побега. Этот эффект известен для световых волн, но никогда ранее не наблюдался для электронов.
Ракель Кейрос (Raquel Queiroz)
Физик Абхай Пасупати (Abhay Pasupathy) совместно с коллегами зафиксировал неожиданные паттерны с помощью атомной сканирующей спектроскопии. Теоретические модели, разработанные Ракель Кейрос, объяснили механизм формирования локализованных состояний за счет квантовой интерференции. Эти результаты также были опубликованы в журнале Nature Physics.
Перспективы применения в квантовых технологиях
–>Ранее связанные состояния в континууме исследовались на световых волнах, что позволило улучшить оптические датчики, лазеры и нелинейную оптику. Новые данные подтверждают возможность аналогичного эффекта для электронов внутри металлической среды.
Захват волны — идея столь же древняя, как и сама квантовая механика, но на поиск способа реализации этого со светом ушел почти век. Теперь мы воплотили это с электронами в материале. И если вы поймали частицу, вы можете ею манипулировать.
Ксавье Рой (Xavier Roy)
В настоящее время исследователи сталкиваются с трудностями контроля образования таких ловушек, поскольку в Pd5AlI2 они возникают вокруг случайно образующихся в процессе роста кристалла дефектов. Ксавье Рой и Абхай Пасупати продолжают работу над методами целенаправленного размещения дефектов для управления интерференционными узорами. Открытие также дает инструмент для поиска других металлических соединений с фрустрированными решетками, способных удерживать электронные волны.
Читайте также
