Исследователь из отдела физики Университета Тохоку обнаружил удивительное квантовое явление, скрытое в обычных кристаллах: сила взаимодействия между электронами и колебаниями решётки (фононами) не является непрерывной, а квантуется. Более того, эта сила универсально связана с одной из самых знаковых величин в физике — постоянной тонкой структуры.
Что делает постоянную тонкой структуры столь значимой?
Эта безразмерная величина ($α ≈ 1/137$) объясняет электромагнитные взаимодействия независимо от используемых единиц измерения. Представьте себе соотношение, где один карандаш в два раза длиннее другого — это соотношение не изменится независимо от того, измеряете ли вы длину карандаша в сантиметрах, дюймах или футах.
Исследование
Исследование, [опубликованное](https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2667022425001616) в Chemical Physics Impact под руководством Масаэ Такахаши из Университета Тохоку, показывает, что сила электрон-фононного взаимодействия всегда кратна базовой единице, равной произведению постоянной тонкой структуры на постоянную Больцмана.
Используя передовую [терагерцовую спектроскопию](https://phys.org/news/2023-11-surface-specific-nonlinear-optical-spectroscopy-terahertz.html?utmsource=embeddings&utmmedium=related&utm_campaign=internal), которая исследует колебания в энергетическом диапазоне между инфракрасным и микроволновым, взаимодействие электрон-фононное было измерено с беспрецедентной точностью.
Почему это происходит?
Такахаши проследил происхождение этого явления до процесса, напоминающего [комптоновское рассеяние](https://phys.org/news/2024-06-high-temperature-superconductivity-exploring-quadratic.html?utmsource=embeddings&utmmedium=related&utm_campaign=internal), где электроны сталкиваются не напрямую с фононами, а с фотонами, испускаемыми фононами. Это объясняет, почему передача энергии масштабируется с первой степенью $α$, а не $α²$, как при спин-орбитальных взаимодействиях.
Заключение
Это исследование раскрывает универсальное квантовое правило, управляющее взаимодействием электронов с колебаниями решётки внутри кристаллов. «Это новое открытие было захватывающим, поскольку впервые за долгое время мы можем добавить новую информацию к хорошо установленным квантовым механикам», — отмечает Такахаши.
Квантование этих взаимодействий позволяет учёным проектировать материалы с заданными свойствами для более быстрой электроники и более эффективных энергетических технологий. Например, электрон-фононные взаимодействия управляют работой полупроводников, сверхпроводников и квантовых устройств следующего поколения.
Терагерцовые волны также могут влиять на такие процессы, как деление клеток, что подразумевает, что это открытие может в конечном итоге повлиять на будущие инновации не только в повседневной электронике, такой как смартфоны и компьютеры, но и в науках о жизни.
«Эта работа показывает, что даже шёпот между электронами и кристаллами подчиняется универсальному языку квантовых констант», — говорит Такахаши.
Предоставлено [Университетом Тохоку](https://phys.org/partners/tohoku-university/)
published in Chemical Physics Impact and led by Masae Takahashi of Tohoku University, reveals that electron-phonon coupling strength is always an integer multiple of a base unit equal to the fine-structure constant multiplied by the Boltzmann constant. In other words, about one part in 137 of the phonon’s energy is transferred during each interaction.»,»Using advanced terahertz spectroscopy, which probes vibrations in the energy range between infrared and microwaves, electron-phonon coupling was measured with unprecedented precision. This breakthrough demonstrates that a fundamental constant governing electromagnetic forces also applies to the microscopic \»dialogue\» between electrons and crystals.»,»Why does this happen? Takahashi traced the origin to a process resembling Compton scattering, where electrons collide not directly with phonons but with photons emitted by phonons. This insight explains why the energy transfer scales with α to the first power, rather than α² as in spin-orbit interactions.»,»Overall, this research reveals a universal quantum rule governing how electrons interact with lattice vibrations inside crystals.»,»\»This new finding was exciting, as it’s the first time in quite a while that we can add new information to well-established quantum mechanics,\» remarks Takahashi.»,»By quantifying these interactions and rules, scientists can design materials with tailored properties for faster electronics and more efficient energy technologies. For example, electron-phonon interactions govern the performance of semiconductors, superconductors, and next-generation quantum devices.»,»Terahertz waves can also influence processes such as cell division, implying that this finding may eventually impact future innovations not just for everyday electronics like smartphones and computers, but for life sciences as well.»,»\»This work shows that even the whispers between electrons and crystals follow the universal language of quantum constants,\» says Takahashi.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tTohoku University\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Atomic and Condensed Matter\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник