Вперше фізики змогли виміряти геометричну форму, яку приймає самотній електрон, рухаючись через тверде тіло. Це досягнення відкриє новий спосіб вивчення поведінки кристалічних твердих тіл на квантовому рівні.
"Ми, по суті, розробили схему отримання абсолютно нової інформації, яку неможливо було отримати раніше", - говорить фізик Ріккардо Комін з Массачусетського технологічного інституту (MIT).
Дослідженням, яке опубліковане в журналі Nature, керували фізики Мінгу Канг, який раніше працював у MIT, а тепер у Корнелльському університеті, і Сунджі Кім із Сеульського національного університету.
У фізичному Всесвіті матерія поводиться способами, які добре описуються класичною фізикою.
Однак на фундаментальнішому рівні взаємодії частинок і методів вимірювання все може стати трохи дивним. У найтонших масштабах точність повинна поступитися місцем більш розмитому опису, представленому хвилями можливості, відомими як квантова механіка.
Ми називаємо такі об'єкти, як електрони, частинками, і це створює враження, що вони схожі на крихітні кульки. Враховуючи їх розмір, властивості та поведінку електронів набагато точніше описуються їхньою хвилеподібною квантовою природою.
Щоб описати хвильовий аспект електронів, фізики використовують хвильові функції: математичні моделі, які описують властивості хвилі як можливості перебування частки у певному місці з певними характеристиками.
Деякі з цих характеристик ми можемо розглядати як свого роду геометрію, яка часто мало чим відрізняється від кривої або сфери, що обертається в нескінченній кількості напрямків. Інші форми квантової геометрії, такі як форми електронів у ґратах атомів, настільки ж складні, як пляшка Клейна або стрічка Мебіуса.
Визначення деяких аспектів заплутаної квантової геометрії електрона у твердому тілі раніше включало безліч здогадів, що ґрунтуються на властивостях, які фізики можуть виміряти.
Щоб виміряти квантову геометрію електронів, Кан, Цзе та його колеги прагнули виміряти властивість, відому як квантовий геометричний тензор, чи КГТ (QGT). Це фізична величина, яка кодує всю геометричну інформацію квантового стану, подібно до того, як двомірна голограма кодує інформацію про тривимірний простір.
Метод, який вони використовували, називається фотоемісійною спектроскопією з кутовою роздільною здатністю, в якій фотони вистрілюють у матеріал, щоб вибити електрони та виміряти їх властивості, такі як поляризація, спин та кут.
В дослідженні цей метод було спрямовано на монокристали сплаву кобальту та олова, матеріалу, відомого як метал кагоме – квантовий матеріал, властивості якого група раніше досліджувала за допомогою тієї ж техніки.
Результати надали дослідникам перший вимір QGT у твердому тілі, і з цього вони змогли вивести решту квантової геометрії електронів у металі.
Команда порівняла дані з теоретично одержаною квантовою геометрією для того ж матеріалу, що дозволило їм визначити корисність оцінки геометрії порівняно з її прямим виміром.
І, за їхніми словами, їхній метод може бути застосований до широкого спектра матеріалів, а не тільки до сплаву кобальту та олова, використаного для цього дослідження. Це результат, який матиме деякі цікаві наслідки. Наприклад, квантову геометрію можна використовувати для відкриття надпровідності у матеріалах, де вона зазвичай не зустрічається.
"Геометрична інтерпретація квантової механіки лежить в основі багатьох нещодавніх досягнень у фізиці конденсованого стану", - сказав анонімний експерт Nature Physics.
«Ці автори першими розробили методологію експериментального доступу до квантового геометричного тензора, що фундаментально характеризує геометричні властивості квантових станів. Розроблена методологія проста, застосовна до різних твердотілих матеріалів і має великий потенціал для стимулювання експериментальної діяльності у пошуках геометричного розуміння нових квантових явищ».
