Фізики Массачусетського технологічного інституту у співпраці з колегами вперше виміряли геометрію або форму електронів у твердих тілах на квантовому рівні. Хоча вчені вже давно можуть виміряти енергію та швидкість електронів у кристалічних матеріалах, квантова геометрія цих систем дотепер залишалася теоретичною або, в деяких випадках, зовсім невловимою.

Робота, нещодавно опублікована в Nature Physics, «відкриває нові шляхи для розуміння квантових властивостей матеріалів і маніпулювання ними», — говорить Ріккардо Комін, доцент фізики 1947 року з розвитку кар’єри Массачусетського технологічного інституту та керівник роботи.

«Ми, по суті, розробили план для отримання абсолютно нової інформації, яку не можна було отримати раніше», — каже Комін, який також працює в Лабораторії досліджень матеріалів Массачусетського технологічного інституту та Дослідницькій лабораторії електроніки. Роботу можна застосувати до «будь-якого виду квантового матеріалу, а не лише до того, з яким ми працювали», — каже Мінгу Канг, перший автор статті Nature Physics і науковий співробітник Кавлі в Корнельській лабораторії атомної фізики та фізики твердого тіла. Канг, доктор філософії Массачусетського технологічного інституту 2023 року, проводив роботу як аспірант Массачусетського технологічного інституту.

Канґа також запросили написати супровідний дослідницький брифінг про роботу, включаючи її наслідки, для випуску Nature Physics за 25 листопада.

Дивний світ

У дивовижному світі квантової фізики електрон можна описати і як точку в просторі, і як хвилеподібну форму. В основі поточної роботи лежить фундаментальний об’єкт, відомий як хвильова функція, яка описує останню. «Ви можете думати про це як про поверхню в тривимірному просторі», — каже Комін.

Існують різні типи хвильових функцій, від простих до складних. Подумайте про м’яч. Це аналогічно простій або тривіальній хвильовій функції. А тепер уявіть стрічку Мебіуса, структуру, яку досліджував М. К. Ешер у своєму мистецтві. Це аналогічно складній або нетривіальній хвильовій функції. І квантовий світ наповнений матеріалами, що складаються з останніх.

Ілюстрація квантової геометрії для електронної хвильової функції. Сфера показана як локальне наближення до кривини ізоповерхні

Але досі квантову геометрію хвильових функцій можна було зробити лише теоретично, а іноді й зовсім не зробити. І ця властивість стає все більш і більш важливою, оскільки фізики знаходять все більше і більше квантових матеріалів із потенційним застосуванням у всьому, від квантових комп’ютерів до передових електронних і магнітних пристроїв.

Читайте також -  В Егейському морі знайдено токсичний слід Стародавньої Греції та Риму

Команда Массачусетського технологічного інституту вирішила цю проблему за допомогою методу під назвою фотоемісійна спектроскопія з кутовим розділенням або ARPES. Комін, Кан і деякі з тих же колег використовували цю техніку в інших дослідженнях. Наприклад, у 2022 році вони повідомили про відкриття «секретного соусу» за екзотичними властивостями нового квантового матеріалу, відомого як метал кагоме. Ця робота також з’явилася в Nature Physics. У поточній роботі команда адаптувала ARPES для вимірювання квантової геометрії металу кагоме.

Закрити співпрацю

Кан підкреслює, що нова здатність вимірювати квантову геометрію матеріалів «походить від тісної співпраці між теоретиками та експериментаторами». Вплинула й пандемія COVID. Кан, який родом з Південної Кореї, перебував у цій країні під час пандемії. «Це сприяло співпраці з теоретиками в Південній Кореї», — каже Канг, експериментатор.

Пандемія також дала Коміну незвичайну можливість. Він їздив до Італії, щоб допомогти провести експерименти ARPES в італійській національній лабораторії Light Source Elettra. Лабораторія була закрита під час пандемії, але почала знову відкриватися, коли прибув Комін. Однак він опинився самотнім, коли у Канга виявився позитивний тест на COVID, і він не зміг приєднатися до нього. Тож він ненавмисно сам провів експерименти за підтримки місцевих учених. «Як професор я керую проектами, але студенти та постдоки фактично виконують роботу. Тож це, по суті, останнє дослідження, де я фактично брав участь у самих експериментах», — каже він з усмішкою.

Comments

Comments are closed.