Новий прорив може допомогти вченим розгадати деякі таємниці квантової сфери. Вперше фізики змогли виміряти геометричну «форму», яку приймає самотній електрон, рухаючись крізь тверде тіло. Це досягнення, яке відкриє абсолютно новий спосіб вивчення того, як поводяться кристалічні тверді тіла на квантовому рівні.
«Ми, по суті, розробили план для отримання абсолютно нової інформації, яку неможливо було отримати раніше», — каже фізик Ріккардо Комін з Массачусетського технологічного інституту (MIT).
Дослідження очолювали фізики Мінгу Кан (раніше з Массачусетського технологічного інституту, а зараз у Корнельському університеті) та Сунджі Кім із Сеульського національного університету. У фізичному Всесвіті матерія поводиться так, як це добре описано класичною фізикою.
Однак на більш фундаментальному рівні взаємодії частинок і методів вимірювання все може стати трохи дивним. У найтоншому масштабі точність повинна поступитися місцем більш нечіткому опису, представленому хвилями можливостей, відомими як квантова механіка. Ми називаємо такі об’єкти, як електрони, частинками, і це створює враження, що вони схожі на крихітні маленькі кульки. Враховуючи їхній розмір, властивості та поведінка електронів набагато точніше описуються їх хвилеподібною квантовою природою.
Щоб описати хвильовий аспект електронів, фізики використовують хвильові функції: математичні моделі, які описують властивості хвилі як еволюцію можливостей знаходження частинки в конкретному місці з певними особливостями. Деякі з цих особливостей ми можемо розглядати як різновид геометрії, часто подібної до кривої чи сфери, які обертаються в нескінченній кількості напрямків. Інші форми квантової геометрії, такі як електрони в решітці атомів, такі ж складні, як пляшка Клейна чи стрічка Мебіуса. Визначення деяких аспектів безладної квантової геометрії електрона у твердому тілі раніше включало багато припущень на основі властивостей, які фізики можуть виміряти.
Щоб виміряти квантову геометрію електронів, Кан, Джі та їхні колеги шукали вимірювання властивості, відомої як квантово-геометричний тензор, або КГТ. Це фізична величина, яка кодує всю геометричну інформацію квантового стану, подібно до того, як двовимірна голограма кодує інформацію про тривимірний простір.
Техніка, яку вони використовували, називається фотоемісійною спектроскопією з кутовим розділенням, у якій фотони обстрілюють матеріал, щоб витіснити електрони та виміряти їхні властивості, такі як поляризація, спін і кут.
Це було спрямовано на монокристали сплаву кобальту та олова, матеріалу, відомого як метал когоме – квантового матеріалу, властивості якого команда раніше досліджувала за допомогою тієї ж методики. Результати дали дослідникам перше вимірювання QGT у твердому тілі, і з цього вони змогли зробити висновок про решту квантової геометрії електронів у металі. Команда порівняла це з теоретично отриманою квантовою геометрією для того самого матеріалу, що дозволило їм визначити корисність оцінки геометрії порівняно з її прямим вимірюванням.
І, за їхніми словами, їхня методика буде застосовна до широкого діапазону матеріалів, а не лише до сплаву кобальту та олова, який використовується для цього дослідження. Це результат, який матиме деякі цікаві наслідки. Наприклад, квантова геометрія може бути використана для виявлення надпровідності в матеріалах, де вона зазвичай не зустрічається.
«Геометрична інтерпретація квантової механіки лежить в основі багатьох останніх досягнень у фізиці конденсованих середовищ», — сказав анонімний експерт Nature Physics.
«Ці автори запровадили методологію експериментального доступу до квантово-геометричного тензора, який фундаментально характеризує геометричні властивості квантових станів. Розроблена методологія є простою, застосовною до різних твердотільних матеріалів і має великий потенціал для активізації експериментальної діяльності в пошуках геометричне розуміння нових квантових явищ». Дослідження команди було опубліковано в Nature Physics.
