Вперше в історії фізики вчені змогли виміряти геометричну “форму”, яку приймає електрон під час руху крізь твердий матеріал. Це досягнення відкриває новий підхід до вивчення кристалічних твердих тіл на квантовому рівні.
“Ми фактично розробили план для отримання абсолютно нової інформації, яка раніше була недоступною,” зазначає фізик Ріккардо Комін із Массачусетського технологічного інституту (MIT).
Дослідження проводили фізики Мінгу Кан, раніше з MIT, а нині з Корнельського університету, та Сунджі Кім із Сеульського національного університету.
У матеріальному Всесвіті поведінка матерії добре описується класичною фізикою. Проте на фундаментальному рівні взаємодії частинок та методи їх вимірювання стають значно складнішими. На найтонших рівнях точність поступається місцем хвильовим можливостям, які описуються квантовою механікою.
Електрони, які ми вважаємо частинками, краще описуються їхньою хвильовою природою. Для опису цієї хвильової природи фізики використовують хвильові функції – математичні моделі, що описують ймовірність виявлення частинки в певному місці з конкретними властивостями.
Деякі з цих властивостей можна уявити як геометричну форму, наприклад, криву або сферу, що обертається в нескінченній кількості напрямків. Інші форми квантової геометрії, наприклад, електронів у ґратці атомів, нагадують складні структури на кшталт пляшки Клейна чи стрічки Мебіуса.
Щоб виміряти квантову геометрію електронів, команда фізиків використала вимірювання квантового геометричного тензора (QGT). Ця величина кодує всю геометричну інформацію квантового стану, аналогічно до того, як двовимірна голограма зберігає інформацію про тривимірний простір.
Метод, що використовувався, називається кутово-резольвуючою фотоемісійною спектроскопією. У цьому методі фотони спрямовуються на матеріал, щоб вивільнити електрони та виміряти їхні властивості, такі як поляризація, спін та кут.
Це було застосовано до монокристалів сплаву кобальт-олова – матеріалу, відомого як метал кагоме, який раніше досліджувала та ж команда.
Результати надали перше вимірювання QGT у твердому тілі. На основі цього вчені змогли визначити інші аспекти квантової геометрії електронів у металі.
Цей підхід може бути застосований до широкого спектру матеріалів, не лише до кобальт-олов’яного сплаву. Це відкриває нові можливості, наприклад, пошук надпровідності в матеріалах, де її зазвичай не виявляють.
“Геометричне тлумачення квантової механіки є основою багатьох сучасних досягнень у фізиці конденсованих середовищ,” прокоментував експерт для Nature Physics.
“Ці дослідники розробили методику експериментального доступу до квантового геометричного тензора, яка фундаментально характеризує геометричні властивості квантових станів. Ця методика є прямолінійною, застосовною до різних матеріалів і має великий потенціал для розвитку експериментів у сфері квантової геометрії.”
Дослідження команди було опубліковано в журналі Nature Physics.