Fizicienii măsoară geometria cuantică a electronilor pentru prima dată
O nouă descoperire îi poate ajuta pe oamenii de știință să rezolve unele dintre misterele tărâmului cuantic.
Pentru prima dată, fizicienii au reușit să măsoare „forma” geometrică a unui singur electron în timp ce se deplasează printr-un solid. Este o realizare ce reprezintă un mod cu totul nou de a studia solidele cristaline la nivel cuantic.
„Avem, în esență, un plan pentru obținerea unor informații complet noi, care nu puteau fi obținute înainte”, spune fizicianul Riccardo Comin de la Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Cercetarea a fost condusă de fizicienii Mingu Kang – fost la MIT și acum la Universitatea Cornell și Sunjie Kim de la Universitatea Națională din Seul.
În macrounivers, materia se comportă în moduri bine descrise de fizica clasică.
Cu toate acestea, la un nivel mai fundamental al interacțiunilor particulelor și al metodelor de măsurare, lucrurile pot deveni puțin ciudate. Pe cea mai fină dintre scale, precizia trebuie să cedeze loc unei descrieri mai neclare reprezentate de undele de probabilități din mecanica cuantică.
Ne referim aici la obiecte precum electronii drept particule, ceea ce dă impresia că sunt ca niște bile minuscule. Având în vedere mărimea lor, proprietățile și comportamentele electronilor sunt descrise mult mai precis de natura lor cuantică asemănătoare undelor.
Pentru a descrie aspectul de undă al electronilor, fizicienii folosesc funcții de undă: modele matematice care descriu proprietățile undei ca posibilități de a găsi particulele într-un loc specific avand caracteristici specifice.
Unele dintre aceste caracteristici le putem considera ca un fel de geometrie, adesea precum o curbă sau o sferă care se rotește într-un număr infinit de direcții. Alte forme de geometrie cuantică, cum ar fi cele ale electronilor dintr-o rețea de atomi, sunt complicate, precum o sticlă Klein sau o bandă Möbius.
O vizualizare a uneia dintre proprietățile tensorului geometriei cuantice. Credit: Kang și colab., Nat. Phys., 2024
Determinarea unor aspecte ale geometriei cuantice dezordonate a unui electron dintr-un solid a implicat anterior o mulțime de presupuneri bazate pe proprietăți pe care fizicienii le pot măsura.
Pentru a măsura geometria cuantică a electronilor, Kang, Jie și colegii lor au căutat măsurarea unei proprietăți cunoscute sub numele de tensor geometric cuantic sau QGT (quantum geometric tensor). Acesta codifică întreaga informație geometrică a unei stări cuantice, similar modului în care o hologramă bidimensională codifică informații despre un spațiu tridimensional.
Tehnica pe care au folosit-o se numește spectroscopie de fotoemisie cu rezoluție în unghi, în care fotonii sunt trimişi către un material pentru a disloca electronii și pentru a le măsura proprietățile, cum ar fi polarizarea, spinul și unghiul.
Măsurători teoretice (j, m) și reale (k, l) ale geometriei cuantice. Credit: Kang și colab., Nat. Phys ., 2024
Electronii au fost direcţionaţi către monocristale dintr-un aliaj de cobalt-staniu, un material cunoscut sub numele de metal kagome – un material cuantic ale cărui proprietăți echipa le investigase anterior folosind aceeași tehnică.
Rezultatele le-au oferit cercetătorilor prima măsurătoare a QGT într-un solid și din aceasta au putut deduce restul geometriei cuantice a electronilor din metal.
Echipa a comparat acest lucru cu geometria cuantică derivată teoretic pentru același material, permițându-le să determine utilitatea estimării geometriei în comparație cu măsurarea directă a acesteia.
Conform cercetătorilor, tehnica lor va fi aplicabilă unei game largi de materiale, nu doar aliajului de cobalt-staniu utilizat pentru acest studiu. Acesta este un rezultat care va avea niște implicații interesante. De exemplu, geometria cuantică ar putea fi folosită pentru a descoperi supraconductibilitatea în materiale unde nu se găsește de obicei.
„Interpretarea geometrică a mecanicii cuantice stă la baza multor progrese recente în fizica materiei condensate.
Acești autori au inițiat o metodologie pentru a accesa experimental tensorul geometric cuantic, care caracterizează, în mod fundamental, proprietățile geometrice ale stărilor cuantice.
Metodologia dezvoltată este simplă, aplicabilă diferitelor materiale în stare solidă și are un potențial mare pentru stimularea activității experimentale în înțelegerea geometrică a fenomenelor cuantice noi”, a declarat un expert anonim pentru Nature Physics.
Cercetarea echipei a fost publicată în Nature Physics.
Traducere după Physicists Measure Quantum Geometry of Electrons For First Time