Международная группа учёных с участием Московского физико-технического института зафиксировала экспериментальные свидетельства того, что электроны могут туннелировать через одиночный атомный дефект не поодиночке, а с положительными корреляциями — в виде групп. По данным исследователей, сильное взаимодействие электронов с колебаниями кристаллической решётки может менять привычную схему туннелирования на атомном уровне и порождать agrupировку частиц в условиях дефекта. Результаты опубликованы в Physical Review Letters и, согласно представителям МФТИ, открывают путь к созданию новых источников коррелированных частиц для квантовых технологий.

Обычное объяснение туннелирования через локализованные состояния сводится к тому, что электроны проходят поодиночке из-за кулоновской блокады: добавление второго электрона требует дополнительной энергии. Этот режим называют антигруппировкой. Однако современные теоретические модели предсказывают, что сильная связь электронов с фононами — колебаниями кристаллической решётки — может менять картину и приводить к положительным корреляциям между туннельными событиями. До текущего эксперимента не было прямого подтверждения подобного эффекта на уровне единичного атомного дефекта.

Эксперимент провели на модернизированном сканирующем туннельном микроскопе с криогенной измерительной схемой в мегагерцовом диапазоне. Устройство позволило не только визуализировать отдельные атомы, но и анализировать статистику туннелирования: определять, проходят ли электроны преимущественно поодиночке или демонстрируют положительную корреляцию между событиями.

Объектами исследования стали отдельные атомы железа, встроенные в кристалл висмият BiosSe3 (Bi2Se3), материала, известного сильной связью электронов с фононами. По словам Василия Столярова — руководителя Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, поверхность материала позволяет исследовать явление при помощи специально оснащённого сканирующего туннельного микроскопа. Эксперименты и сопоставления с расчётами показывают локализованные состояния, которые активно взаимодействуют с локальными фононами.

Измерения дробового шума показали, что в резонансном пике коэффициент Фано достигает 1,16, что указывает на сверхпуассоновскую статистику: электроны проходят через примесный атом группами, а не независимо. При этом на димерах железа, где доминирует кулоновская блокада, шум подавляется. Контрольные измерения в магнитных полях до 5 тесла не выявили влияния спиновой динамики на наблюдаемый эффект.

По словам автора исследования Василия Столярова, обнаруженный эффект обусловлен возбуждением прошедшего электрона колебательной модули примесного атома. Пока возбуждение не затухает, вероятность туннелирования следующего электрона растёт. Разработанная теория описывает сверхпуассоновский шум при времени жизни виброна порядка пикосекунд и согласуется с независимыми спектроскопическими данными.

Авторы считают, что в перспективе управление такими процессами может стать основой новых подходов к применению квантовых материалов — учитывая не только отдельных электронов, но и их коррелированные группы. Этот подход может пригодиться для создания локальных источников коррелированных электронов в квантовых системах, однако практическое применение эффекта требует достижения когерентности между электронами, что остаётся задачей будущих исследований.

Проект поддержан Министерством науки и высшего образования России (Соглашение № 075-15-2025-010).