Физики обнаружили, что взаимодействие электронов и фононов в кристаллах квантуется фундаментальной константой

Исследователь из Университета Тохоку в Японии обнаружил удивительный квантовый феномен, скрытый в обычных кристаллах: сила взаимодействия между электронами и колебаниями кристаллической решётки, известными как фононы, не является непрерывной, а квантуется. Более того, эта сила оказалась универсально связана с одной из самых знаковых констант в физике — постоянной тонкой структуры (α ≈ 1/137).

Графическая аннотация. Автор: Chemical Physics Impact (2025). DOI: 10.1016/j.chphi.2025.100977

Эта безразмерная константа, известная своей ролью в описании электромагнитных взаимодействий, оказалась ключевой и для взаимодействий внутри твёрдого тела.

Открытие квантованной электрон-фононной связи

Исследование, опубликованное в журнале Chemical Physics Impact под руководством Масаэ Такахаси из Университета Тохоку, показывает, что сила электрон-фононной связи всегда является целым кратным базовой единицы, равной произведению постоянной тонкой структуры на постоянную Больцмана. Проще говоря, в каждом акте взаимодействия передаётся примерно одна 137-я часть энергии фонона.

Используя передовую терагерцовую спектроскопию, которая исследует колебания в энергетическом диапазоне между инфракрасным и микроволновым излучением, учёные с беспрецедентной точностью измерили эту связь. Этот прорыв демонстрирует, что фундаментальная константа, управляющая электромагнитными силами, применима и к микроскопическому «диалогу» между электронами и кристаллами.

Свет (фотоны), испускаемый фононами, взаимодействует с колеблющимися электронами в кристалле, что можно наблюдать в терагерцовом спектре справа. Автор: Масаэ Такахаси

Объяснение квантовой связи

Почему это происходит? Такахаси проследила происхождение эффекта до процесса, напоминающего комптоновское рассеяние, где электроны сталкиваются не напрямую с фононами, а с фотонами, которые эти фононы испускают. Это объясняет, почему передача энергии масштабируется с α в первой степени, а не с α², как в спин-орбитальных взаимодействиях.

В целом, это исследование раскрывает универсальное квантовое правило, управляющее тем, как электроны взаимодействуют с колебаниями решётки внутри кристаллов.

Значение для технологий и науки

«Это новое открытие было захватывающим, поскольку впервые за долгое время мы можем добавить новую информацию в хорошо установленную квантовую механику», — отмечает Такахаси.

Количественно описывая эти взаимодействия и правила, учёные смогут проектировать материалы с заданными свойствами для более быстрой электроники и эффективных энергетических технологий. Например, электрон-фононные взаимодействия определяют производительность полупроводников, сверхпроводников и устройств следующего поколения для квантовых вычислений.

Терагерцовые волны также могут влиять на такие процессы, как деление клеток, что означает, что данное открытие может в будущем найти применение не только в повседневной электронике вроде смартфонов и компьютеров, но и в науках о жизни.

«Эта работа показывает, что даже шёпот между электронами и кристаллами подчиняется универсальному языку квантовых констант», — говорит Такахаси.

Больше информации: Masae Takahashi, Electron–phonon coupling strength in hydrogen-bonded network crystals in the THz frequency range, Chemical Physics Impact (2025). DOI: 10.1016/j.chphi.2025.100977

Источник: Tohoku University