Физики научились измерять время без часов

Сотрудникам Федеральной политехнической школы Лозанны в Швейцарии удалось измерить задержку в фотоэмиссии электронов без использования оборудования для измерения времени. Оказалось, что интервал времени можно вычислить, анализируя поляризацию спинов вылетающих электронов. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters. Также статью можно посмотреть на сайте arXiv.org.

Когда свет достаточной энергии падает на определенные материалы, то он вызывает испускание электронов — этот процесс называется фотоэмиссией. Она была объяснена в 1905 году Альбертом Эйнштейном, и за изучение этого явления он получил Нобелевскую премию. Несмотря на прогресс в исследовании этого эффекта за последний век, временной масштаб процесса не был достаточно хорошо известен: обычно предполагалось, что, как только свет достигает поверхности, происходит мгновенное испускание электронов. Однако недавние опыты с использованием новейших лазерных технологий подвергли сомнению правильность этого допущения.

Фотоэмиссия позволила исследовать свойства электронов в твердых телах. Одним из таких свойств является спин — квантово-механическая величина, являющаяся внутренней характеристикой частиц, относящихся к классу фермионов (кварков и лептонов, в том числе электронов). Степень выровненности вектора спина относительно определенного направления называется спиновой поляризацией. В новой работе ученым удалось найти взаимосвязь между спиновой поляризацией испущенных электронов и временной задержкой фотоэмиссии, что позволило измерять промежутки времени около миллиардных долей от миллиардных долей секунды.

«При помощи лазеров можно напрямую измерять задержку времени между разными процессами, но трудно определить время начала, иными словами, точку отсчета времени, — говорит Мауро Фанчулли, аспирант и первый автор работы. — Однако в нашем эксперименте мы измеряли время косвенным методом, поэтому избежали данной проблемы, а комбинируя два дополняющих способа (лазерный и на основе спиновой поляризации), нам удалось измерить одни из наиболее коротких временных интервалов».

Информация о времени фотоэмиссии оказалась закодирована в волновой функции вылетающих электронов. Используя метод фотоэмиссионной спектроскопии SARPES, ученые смогли измерить спин электронов, что позволило вычислить характеристики волновой функции и, следовательно, получить информацию о времени. «Работа является только подтверждением принципа, который повлечет дальнейшие фундаментальные и прикладные разработки, — поясняет профессор Хуго Дил. — Тут мы имеем дело с фундаментальной природой самого времени, и это поможет нам как понять детали самого процесса фотоэмиссии, так и использовать полученное знание для исследования интересующих нас материалов».