Физики из университетов Регенсбурга и Марбурга и исследовательского центра Юлиха наблюдали, как меняется распределение электронов в графене под действием сильного светового поля. По этим изменениям они распознали переходы Ландау—Зенера—Майораны между энергетическими зонами. Работа вышла онлайн в журнале Nature 28 октября 2026 года; номер датирован 5 ноября. Микроскоп регистрировал распределение электронов по всей первой зоне Бриллюэна с временным разрешением менее 10 фемтосекунд. Это карта множества частиц, а не запись траекторий отдельных электронов.

Как форма распределения выдала переход

Исследователи облучали эпитаксиальный монослой графена на карбиде кремния импульсами среднего инфракрасного диапазона с частотой 30 ТГц. Затем ультрафиолетовый импульс выбивал электроны, а фотоэмиссионный микроскоп измерял их энергию и импульс. Сначала физики компенсировали внешний сдвиг спектра: световое поле меняло импульсы и у электронов, уже покинувших материал.

Если бы поле только ускоряло электроны внутри энергетической зоны, их распределение на карте перемещалось бы, сохраняя форму. В опыте оно вытянулось вдоль электрического поля, а число электронов в зоне проводимости увеличилось. Авторы связали оба признака с переходами Ландау—Зенера—Майораны: сильное поле быстро проводит электрон через избегаемое пересечение энергетических зон, и тот может перейти в другую зону.

Для проверки исследователи сравнили наблюдения с расчётами по полупроводниковым уравнениям Блоха. Когда в модели отключили связь между зонами, распределение оставалось круглым. При включённой межзонной связи расчёт воспроизвёл вытянутую форму, а также качественно показал рост числа электронов в зоне проводимости. Совпадение формы и изменения заполненности помогло отличить переход между зонами от простого ускорения внутри одной зоны.

Условно это похоже на карту, где видна группа точек. Если группа только сдвинулась, это соответствует общему разгону. Если она ещё и вытянулась вдоль поля, а в верхней энергетической зоне стало больше точек, одного разгона для объяснения недостаточно. Именно такие особенности распределения исследователи сопоставляли с расчётами.

При переходе Ландау—Зенера—Майораны электрон не проходит через обычный пространственный барьер. Важна скорость, с которой он движется через область избегаемого пересечения зон. В графене величина энергетического зазора меняется линейно с импульсом вблизи точки K, поэтому при движении через эту область возникает такое пересечение.

Линейная зависимость энергии от импульса около точки K формирует в графене конус Дирака. Материал также выдерживает интенсивное облучение, необходимое для эксперимента. Фотоэмиссионный микроскоп охватывал всю первую зону Бриллюэна, а не только небольшой участок пространства импульсов.

Измерения проводили на конкретном образце при сильном поле и комнатной температуре. Результат не означает, что переходы всегда происходят со стопроцентной вероятностью: статья описывает наблюдаемую динамику и её сопоставление с моделью, а не универсальный экспериментальный максимум. Отдельно изложить наблюдения и выводы модели помогает подготовка научной статьи.

Схема показывает, как форма распределения электронов, изменение заполненности зоны проводимости и сравнение с расчётами помогли распознать межзонные переходы.

Фото: Pixabay / Pexels