Учёные из Лундского университета в Швеции разработали новый метод измерения квантового состояния электронов, выбиваемых из атомов под воздействием высокоэнергетических световых импульсов. Эта техника, получившая название KRAKEN, позволяет впервые точно определить, насколько «квантовым» является электрон.

Исследование открывает новые горизонты в понимании взаимодействия света и материи на квантовом уровне. Метод основан на принципе фотоэлектронной спектроскопии, но идёт дальше, позволяя измерять не только классические свойства фотоэлектрона, такие как скорость, но и его полное квантовое состояние.

Дэвид Бусто, доцент кафедры атомной физики и один из авторов исследования, поясняет: «Наша техника позволяет реконструировать сложный трёхмерный объект, делая несколько двумерных снимков с разных углов, подобно тому, как это происходит при компьютерной томографии мозга». Для этого учёные используют пару лазерных импульсов разных цветов, чтобы «сфотографировать» и реконструировать квантовое состояние электрона слой за слоем.

Экспериментальные результаты, полученные с протоколом KRAKEN для фотоионизации атомов гелия. Источник: Nature Photonics (2025). DOI: 10.1038/s41566-024-01607-8

Эксперименты проводились на атомах гелия и аргона, показав, что квантовое состояние фотоэлектрона зависит от типа материала, которым он испускается. Это открытие может иметь далеко идущие последствия для различных областей науки, включая атмосферную фотохимию и изучение систем сбора световой энергии, таких как солнечные батареи или фотосинтез в растениях.

Новая методика также связывает две различные области науки: аттосекундную физику и спектроскопию с одной стороны, и квантовую информатику и квантовые технологии с другой. Это вписывается в контекст «второй квантовой революции», целью которой является манипулирование отдельными квантовыми объектами для использования их полного потенциала в различных приложениях.

Хотя техника KRAKEN не приведёт напрямую к созданию новых квантовых компьютеров, она предоставляет физикам доступ к знаниям о квантовом состоянии фотоэлектронов, что позволит полностью использовать их квантовые свойства для будущих применений. Это может помочь раскрыть процессы, происходящие в материале после выбивания электрона, что особенно важно для изучения свойств новых материалов.

Учёные надеются, что в будущем их метод позволит проследить, как квантовые свойства электронов эволюционируют во времени от квантового к классическому состоянию, что может пролить свет на фундаментальные вопросы квантовой механики и её связь с макроскопическим миром.

Подробнее на iXBT