Исследователи на швейцарском рентгеновском лазере SwissFEL впервые смогли наблюдать, как электроны взаимодействуют друг с другом. Метод, известный как четырехволновое рентгеновское смешение, позволяет изучать, как энергия и информация циркулируют внутри атомов и молекул. Это открывает новые возможности для понимания квантовых процессов и разработки более устойчивых квантовых устройств. Результаты опубликованы в журнале Nature.
Многие свойства материи зависят не от отдельных электронов, а от их взаимодействия. Оно определяет перестройку молекул, проводимость материалов и потоки энергии. В квантовых технологиях информация хранится в виде когерентностей — тонких взаимодействий между частицами. Потеря когерентности приводит к исчезновению информации, процессу, называемому декогеренцией. Понимание этих состояний является ключевой задачей современной квантовой науки.
До сих пор ученые могли изучать лишь поведение отдельных электронов, оставаясь в основном в неведении относительно их когерентностей. Команда SwissFEL совместно с Институтом Пауля Шеррера (PSI), Швейцарским федеральным институтом технологий в Лозанне (EPFL), Институтом Макса Планка и Бернским университетом разработала метод четырехволнового рентгеновского смешения, который позволяет получить доступ к этим взаимодействиям.
Принцип эксперимента напоминает ядерный магнитный резонанс (ЯМР), используемый для МРТ: несколько импульсов создают и считывают когерентности. Но вместо магнитных волн используются рентгеновские лучи, что позволяет изучать электроны в атомах и молекулах. «С помощью рентгенов мы можем приблизиться к электронам, а не только к целым молекулам», — поясняет первый автор исследования Ана София Морилло Кандас.
Эксперимент оказался крайне сложным. Для четырехволнового смешения три рентгеновских пучка нужно было разделить, задержать и снова объединить с точностью до нанометров. Сигнал при этом очень слабый, и его можно увидеть только с помощью сверхярких коротких импульсов рентгеновского излучения.
Ключевым решением стало использование алюминиевой пластины с четырьмя отверстиями: три пучка проходят через отверстия, создавая четвертую волну. Это позволило впервые за десятилетия зарегистрировать сигнал четырехволнового смешения. «Когда мы увидели его на экране, это выглядело как свет, — вспоминает Морилло Кандас. — Мы были вне себя от радости».
Первая успешная демонстрация проводилась на благородном газе неоне. Теперь ученые планируют изучать более сложные системы — газы, жидкости и твердые тела, где взаимодействия электронов более разнообразны.
Метод позволит не только следить за когерентностями внутри материалов, но и понимать, где теряется квантовая информация. Эти знания могут помочь создавать более стабильные кубиты и уменьшать ошибки в будущих квантовых компьютерах.
«Это как первые эксперименты ЯМР в 1960-х: никто тогда не знал, к чему они приведут. Сейчас мы на первом шаге пути, который может открыть новые возможности визуализации квантовых процессов», — говорит Грегор Кнопп, руководитель исследования.