Группа физиков впервые измерила квантовую геометрию (или форму) электронов при их движении через твердое тело. В то время как энергия и скорость электронов давно поддаются измерению, их квантовая геометрия до сих пор выводилась только теоретически. Этот прорыв открывает путь к новым методам изучения квантовых свойств материалов.
Геометрия или форма квантовой системы математически выражается квантовым геометрическим тензором (КГТ). Он также выражает, как система изменяется в зависимости от таких параметров, как температура и магнитное поле. Эти измерения важны, потому что они показывают, как частицы, такие как электроны, движутся, взаимодействуют и влияют на свойства материалов. Это также может привести к появлению новых свойств, которые до сих пор неизвестны физике.
В квантовой механике электроны могут вести себя и как частицы, и как волны (дуализм волна-частица). Их волновое поведение описывается математическим уравнением, называемым волновой функцией. Существуют различные типы волновых функций, от самых простых до самых сложных. Например, движение шарика может быть описано простой (или тривиальной) волновой функцией, а полоса Мёбиуса (односторонняя полоса, полученная склеиванием двух концов после выворачивания их наизнанку) описывается сложной (или нетривиальной) волновой функцией. Большинство движений электронов в квантовых материалах характеризуются сложными волновыми функциями.
Однако КГТ волновых функций до сих пор были выведены только теоретически. В то время как методы измерения энергии и скорости электронов в кристаллических материалах хорошо разработаны, их КГТ до сих пор выводились только теоретически, если вообще выводились.
Однако понимание этого свойства становится все более важным по мере открытия новых квантовых материалов, которые могут найти применение в различных областях, таких как квантовые компьютеры и передовые электронные и магнитные устройства. Исследование, проведенное под руководством Массачусетского технологического института (MIT), является первым прямым измерением КГТ электронов при их движении в твердом теле.
«По сути, мы разработали план получения совершенно новой информации, которая ранее была недоступна», — объясняет Риккардо Комин, ответственный за исследование, в блоге Лаборатории исследования материалов Массачусетского технологического института. Эта работа, о которой сообщается в выпуске Nature Physics от 25 ноября прошлого года, «открывает новые пути для понимания и манипулирования квантовыми свойствами материалов», — добавляет он.
Иллюстрация квантовой геометрии для электронной волновой функции. Сфера представлена как локальное приближение к кривизне изоповерхности.
Метод, подходящий для всех типов квантовых материалов
Команда Комина использовала фотоэмиссионную спектроскопию с угловым разрешением (ARPES), чтобы расшифровать КГТ электронов в металле кагоме — экзотическом квантовом материале, основанном на сплаве кобальта и олова. Для этого исследователи бомбардировали материал фотонами, чтобы вытеснить электроны и измерить их свойства, такие как поляризация и спин. В частности, метод ARPES используется для отслеживания энергии и движения электронов, чтобы составить карту их распределения внутри металла.
Стратегия измерения квантовых геометрических свойств в системах конденсированных сред.
Измерения показали форму, энергетические состояния и способ, которым электроны перемещаются внутри материала и взаимодействуют с его кристаллической решеткой. Полученные данные позволили выявить не только КГТ электронов, но и другие ключевые свойства, такие как зонная структура и топологические характеристики металла. «Используя эту схему, мы продемонстрировали эффективную реконструкцию КГТ в металле кагоме, в котором имеются топологические плоские полосы», — объясняет команда в своей статье.
Кроме того, исследователи сравнили новые измерения КГТ с результатами, полученными с помощью теоретических методов, чтобы оценить их надежность. Они обнаружили, что их надежность достаточно высока, чтобы протокол измерений можно было применять к широкому спектру материалов. По словам ведущего автора исследования Мингу Канга из Массачусетского технологического института и Исследовательской инициативы Макса Планка POSTECH, эта методика может быть применена «к любому типу квантового материала, а не только к тому, с которым мы работали». Эти результаты также могут открыть особые физические свойства, такие как сверхпроводимость, в материалах, где они обычно не проявляются.
