Учёные впервые увидели взаимодействие электронов внутри атомов с помощью рентгеновского излучения

Учёные на лазере на свободных электронах SwissFEL впервые реализовали давнюю экспериментальную цель — показали, как взаимодействуют электроны внутри атомов и молекул. Метод, известный как рентгеновское четырёхволновое смешение, открывает новый способ наблюдения за потоком энергии и информации на квантовом уровне.

Поведение вещества во многом определяется не одиночными электронами, а их взаимодействиями друг с другом. В квантовых технологиях, таких как квантовые вычисления, информация хранится в хрупких паттернах этих взаимодействий, называемых когерентностями. Их потеря ведёт к исчезновению информации — процессу декогеренции. До сих пор учёные были «слепы» к этим когерентностям.

«Мы узнаём, как электроны танцуют друг с другом — держатся ли они за руки или танцуют в одиночку», — говорит старший научный сотрудник Института Пауля Шеррера (PSI) Грегор Кнопп, руководивший исследованием. Это даёт новый взгляд на квантовые явления и может изменить понимание материи.

Концептуально метод похож на ядерный магнитный резонанс (ЯМР), используемый в МРТ-сканерах, но работает с рентгеновскими лучами. «В то время как другие подходы рассказывают о взаимодействии атомов или молекул в целом, с рентгеновскими лучами мы можем приблизиться прямо к электронам», — поясняет первый автор статьи Ана София Морильо Кандас.

Реализация эксперимента долгое время считалась почти невозможной из-за необходимости невероятно точного управления тремя рентгеновскими пучками. Успех пришёл благодаря простому решению — использованию алюминиевой пластины с четырьмя микроскопическими отверстиями. Первый сигнал был зафиксирован в благородном газе неоне.

Теперь, когда принцип доказан, учёные планируют изучать более сложные системы — газы, жидкости и твёрдые тела. В будущем метод может стать основным инструментом для визуализации крошечных квантовых устройств, помогая создавать более стабильные кубиты и снижать ошибки в квантовых компьютерах.

Исследование опубликовано в журнале Nature.