Фізики досягли визначного прориву, вперше вимірявши квантову геометрію електронів у твердих матеріалах. Це відкриття, опубліковане в Nature Physics, дає змогу отримати безпрецедентні уявлення про квантові явища та відкриває нові горизонти в дослідженнях конденсованого стану речовини.
Новий підхід до квантової геометрії
Електрони часто описують як частинки, але їх поведінка краще зрозуміла через хвильову природу, характерну для квантового світу. Ця подвійність описується математичними функціями хвиль, які вказують імовірність знаходження електрона в певному місці чи стані.
Квантова геометрія досліджує складну просторову та хвильову поведінку електронів, які уявляються як форми на кшталт стрічок Мебіуса або пляшок Кляйна у решітці атомів. До цього часу фізики могли лише теоретично оцінювати геометрію електронів у твердих тілах без можливості прямих вимірювань.
Квантовий геометричний тензор: ключ до геометрії
Щоб вирішити цю проблему, дослідники з MIT, Корнельського університету та Національного університету Сеула розробили методику вимірювання квантового геометричного тензора (QGT). QGT є фізичною величиною, яка кодує повну геометричну інформацію квантового стану, подібно до того, як голограма містить тривимірну інформацію у двовимірному форматі.
Для вимірювання QGT команда використала техніку кутово-роздільної фотоелектронної спектроскопії. Вони спрямовували фотони на кристали кобальто-олов’яного сплаву (типу металу Кагоме), щоб вибити електрони та аналізувати їхні властивості, такі як поляризація, спін і кут.
Цей підхід дозволив вперше виміряти QGT у твердому матеріалі. Порівняння отриманих даних із теоретичними моделями підтвердило точність нової методики та її універсальність.
Nat. Phys ., 2024)
Значення для фізики конденсованого стану
Цей прорив має важливе значення для фізики конденсованого стану речовини та матеріалознавства. Квантова геометрія відіграє ключову роль у розумінні та проектуванні квантових явищ, таких як:
- Надпровідність. Результати можуть сприяти відкриттю надпровідних властивостей у матеріалах, де вони раніше не спостерігалися.
- Дизайн квантових матеріалів. Можливість прямого вимірювання квантової геометрії може прискорити створення нових матеріалів із заданими квантовими властивостями.
Експерт із Nature Physics назвав дослідження визначним:
“Методика відкриває експериментальний доступ до квантового геометричного тензора, що фундаментально характеризує геометричні властивості квантових станів. Простота й універсальність підходу надихне подальші дослідження квантової геометрії”.
Платформа для майбутніх відкриттів
Розроблений метод виходить за межі дослідженого сплаву, пропонуючи можливості для застосування до різних матеріалів. Це новаторський підхід, який дає змогу фізикам досліджувати квантові системи з безпрецедентною точністю, розкриваючи складність квантової механіки та розширюючи межі експериментальної фізики.
Об’єднання теоретичних і експериментальних підходів у цьому дослідженні створює основу для кращого розуміння складних квантових явищ і розвитку технологій, що використовують унікальні властивості квантових матеріалів.
Читайте також: Створено квантові датчики, що «мандрують у часі»
