Исследователи при участии МФТИ впервые получили прямое экспериментальное подтверждение того, что коррелированные электроны могут проходить через одиночный атомный дефект не строго по одному, а сериями. В измерениях на атомах железа в кристалле селенида висмута фактор Фано достиг 1,16: это означает, что события туннелирования оказались статистически связаны. Для квантовой электроники это не готовый компонент, но важная проверка физики, на которой когда-нибудь могут строиться источники частиц с управляемыми корреляциями.
Работа опубликована в журнале Physical Review Letters, сообщает CNews. В эксперименте международная группа изучала отдельные атомы железа, встроенные в Bi₂Se₃ — селенид висмута. Этот материал удобен для задачи тем, что электроны в нём заметно взаимодействуют с фононами, то есть колебаниями кристаллической решётки. Такие взаимодействия обычно воспринимают как помеху, которую нужно учитывать в расчётах. Здесь же они стали механизмом, меняющим статистику электронных переходов.
Обычная картина для локализованного электронного состояния выглядит довольно прозаично: электрон проходит через него, а следующему приходится ждать. Причина — кулоновская блокада. Чтобы поместить второй заряд в маленькую локальную область, требуется дополнительная энергия, поэтому независимые туннельные события становятся менее вероятными. В статистике это проявляется как подавление шумов и антигруппировка: электроны, образно говоря, держат дистанцию.
Теория уже около двух десятилетий допускала другой сценарий. Если электрон достаточно сильно связан с колебаниями решётки, его переход может возбудить локальную вибрационную моду. Пока это возбуждение не затухло, следующему электрону пройти легче. Получается короткое «окно возможностей», в котором вероятность нового туннелирования возрастает. Однако для одиночного атомного дефекта этот эффект до сих пор не удавалось показать напрямую: увидеть атом сканирующим микроскопом и доказать изменение статистики потока — задачи разного класса сложности.
Авторы использовали сканирующий туннельный микроскоп с криогенной измерительной схемой, работающей в мегагерцовом диапазоне. Такая установка позволила не ограничиваться картой поверхности, а зарегистрировать дробовой шум — флуктуации электрического тока, по которым можно судить о характере переноса заряда. В зоне резонансного пика фактор Фано превысил единицу и достиг 1,16. Для пуассоновского, то есть полностью независимого, потока он равен единице; значение выше говорит о сверхпуассоновской статистике и положительной корреляции между событиями.
Контрольный опыт важен не меньше основного результата. На димерах железа — парах примесных атомов — исследователи увидели обратную картину: шум был подавлен, как и ожидается при доминирующей кулоновской блокаде. Эксперименты в магнитных полях до 5 Тл также не показали заметного влияния спиновой динамики примеси. Это сужает набор объяснений: наблюдаемый эффект связывают именно с электрон-фононным взаимодействием, а не с магнитными особенностями атома железа.
По расчётам авторов, измеренный уровень шума согласуется со временем жизни виброна порядка пикосекунды. Масштаб кажется почти издевательски малым для прикладной техники, но для физики процесса он принципиален: возбуждение живёт достаточно долго, чтобы изменить вероятность следующего электронного перехода. Иными словами, система запоминает предыдущий электрон на сверхкороткое время — ровно настолько, чтобы нарушить привычную картину независимого туннелирования.
Для разработчиков квантового железа и команд, работающих с наноструктурами, ценность результата в методике и в подтверждении модели. Управлять отдельным дефектом, фононной средой и шумовыми характеристиками транспорта — это путь к устройствам, где важен не только средний ток, но и статистика носителей. Потенциальные применения коррелированных электронов лежат в локальных источниках частиц для квантовых схем, сенсорах и исследованиях неравновесных квантовых состояний. Но между лабораторным измерением и интегрируемым устройством пока дистанция заметно больше, чем между двумя атомами.
Следующая трудная задача — не просто вызывать группировку, а научиться контролировать когерентность между электронами. Нынешний результат демонстрирует корреляцию вероятностей туннелирования, а не готовую передачу квантовой информации. Если удастся связать такие эффекты с устойчивыми и управляемыми состояниями, одиночный дефект перестанет быть лишь дефектом материала и станет элементом квантовой схемы.