Физики впервые напрямую проследили за необычными квантовыми переходами электронов в графене. Под воздействием мощных световых импульсов частицы перескакивали между энергетическими зонами, преодолевая область, где стабильные состояния обычно недоступны. Исследование учёных Регенсбургского университета, Марбургского университета имени Филиппа и Исследовательского центра Юлиха опубликовано в журнале Nature.
Наблюдавший эффект процесс известен как переходы Ландау—Зенера—Майораны. Электроны обычно сохраняют энергию в пределах одной зоны, однако сильное электрическое поле света ускоряет их и переводит на другой энергетический уровень. В экспериментах вероятность такого перехода достигала 100 процентов.
Для регистрации сверхбыстрого движения исследователи объединили лазерную технологию с электронной микроскопией. Основным прибором стал фотоэмиссионный микроскоп импульсов, который измеряет энергию электронов и направление их движения, а затем формирует карту распределения частиц по энергетическим состояниям. Такой подход позволил наблюдать изменения, происходящие слишком быстро для обычных методов съёмки.
Эксперимент провели на графене, состоящем из слоя углеродных атомов толщиной в один атом. Образцы изготовили в Исследовательском центре Юлиха, причём материал отличался почти идеальной чистотой и имел специальную повёрнутую структуру. Это помогло отделить собственно квантовые явления от помех, которые могли бы возникнуть из-за дефектов и примесей.
Учёные установили, что решающую роль играет скорость приближения электронов к энергетическому разрыву под действием электрического поля. Такой механизм отличается от обычного квантового туннелирования, при котором частица проходит через пространственный барьер. Разработанный метод может применяться к другим квантовым материалам и помочь в создании электронных устройств, где движением частиц управляют световые поля, а не только электрическим напряжением.