Классическая электроника опирается на потоки электронов. В проводах, микросхемах и чипах перемещается огромное количество заряженных частиц. Однако когда их слишком много, они начинают мешать друг другу, что снижает скорость работы устройств и ограничивают эффективность технологий.

Еще несколько десятилетий назад ученые задавались вопросом: можно ли создать энергоэффективный прибор, в котором использовался бы не поток, а один-единственный электрон? Тогда можно было бы изобрести сверхбыстрые и сверхэкономичные схемы, где каждая частица подчиняется контролю. Главная проблема заключалась в том, как отследить электрон с нужной точностью. Решение предложила команда британских физиков под руководством Масаи Катаоки (Masaya Kataoka) из Национальной физической лаборатории Великобритании.

Ученые предложил новый метод обнаружения одиночного электрона. Физики использовали тонкую пластину из полупроводникового материала — арсенид галлия (GaAs) — химическое соединение галлия и мышьяка. Во время эксперимента исследователи одновременно ввели в образец два электрона из разных точек, которые устремились навстречу друг другу.

Когда электроны сблизились на критическое расстояние, между ними возникло кулоновское отталкивание (закон Кулона). Электроны резко разошлись. Ученые проследили движение одного из них и заметили, как траектория одного электрона изменилась под воздействием другого, и по этому отклонению сделали вывод о наличии второго электрона, который напрямую зарегистрировать было невозможно.

Статья по теме: Физики зафиксировали квантовое колебание молекулы с беспрецедентной детализацией

Самое удивительное — время, за которое они это сделали. Исследователи зарегистрировали электрон через шесть триллионных долей секунды после взаимодействия. Это примерно в сто раз быстрее, чем все предыдущие попытки. 

По словам специалистов, взаимодействия электронов длятся всего несколько триллионных долей секунды. Теперь ученые получили доступ к этому масштабу времени и могут наконец понять, как ведут себя электроны внутри устройств. Это знание позволит создавать новые типы электроники, где каждое движение электрона будет под контролем.

Физик Вячеслав Кащееев из Латвийского университета подчеркнул значимость открытия: речь идет о будущем электроники, основанной на быстрых одиночных электронах. И здесь появляется важный момент. Один электрон — не просто частица, это фундаментальный квантовый объект. Это значит, что инженеры смогут использовать его квантовые свойства напрямую, так же, как сейчас применяют квантовые эффекты в компьютерах и системах связи.

Схожее мнение высказывает Кристиан Флиндт (Christian Flindt) из Университета Аалто в Финляндии. Он считает, что устройства на основе одиночного электрона смогут выполнять многие задачи, которые сейчас решают квантовые технологии на фотонах. Но при этом такие устройства окажутся гораздо компактнее и удобнее. Их можно будет встраивать прямо в микросхемы. А для этого понадобится именно такая система детекции, которую показала команда Катаоки.

Статья по теме: Эксперимент с фотонами поставил под вопрос роль запутанности в квантовой физике

Открытие Катаоки и его коллег может принести пользу и в другой области — измерениях электрического тока. Немецкий физик Рольф Хауг (Rolf Haug) из Ганноверского университета имени Лейбница обратил внимание на то, что стандарт определения единицы тока можно улучшить с помощью так называемого «электронного насоса» — устройства, которое подает строго определенное число электронов за один такт, словно миниатюрный дозатор. Именно «электронный насос» применила команда Катаоки в эксперименте, когда вводили электроны в арсенид галлия.

Сейчас для определения «эталона» тока ученые используют сложные установки. Они основаны на квантовом эффекте Холла или одноэлектронных транзисторах. Речь идет об образцах, по которому измеряют электрический ток. Это как линейка для сантиметров или гиря для килограммов. Если улучшить методы работы с электронами, можно сделать такие эталоны точнее. Тогда все измерения электричества — например, в лабораториях, промышленности и электронике — станут более надежными и правильными.

Эксперимент британских ученых стал реальным шагом к электронике нового уровня. Управление одним электроном открывает путь к устройствам, где скорость работы измеряется триллионными долями секунды. Это фундамент для будущих квантовых технологий — от вычислений до стандартов измерений. 

Научная работа опубликована в журнале Physical Review Letters.