Физики Массачусетского технологического института (МТИ) и их коллеги из Италии впервые описали в виде функций и визуализировали геометрию электронов в твердых телах. Ученые давно знают, как измерять энергии и скорости электронов в кристаллических решетках, но до сих пор квантовую геометрию этих систем можно было определить только теоретически, и то не всегда.
Работа, опубликованная в выпуске журнала Nature Physics от 25 ноября 2024 года, «открывает новые возможности для понимания квантовых свойств материалов и манипулирования ими», — говорит руководитель проекта Риккардо Комин, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института.
«По сути, мы разработали схему получения совершенно новой информации, которую раньше получить было невозможно», — продолжает Комин, который также работает в Лаборатории материаловедения МТИ.
Это исследование может быть применено к «любому виду квантового материала, а не только к тому, с которым мы работали», — говорит Мингу Канг, автор статьи в Nature Physics и научный сотрудник Лаборатории атомной физики и твердого тела Университета Корнелла. Канг, доктор философии Массачусетского технологического института с 2023 года, провел эту работу в качестве аспиранта МТИ.
Странный квантовый мир
В загадочном мире квантовой физики электрон можно интерпретировать и как точку в пространстве, и как волну. В основе работы лежит описание волновой ипостаси электрона. «Вы можете представить себе это как криволинейную поверхность в трехмерном пространстве», — говорит Комин.
«Существуют различные типы волновых функций, от простых до сложных. Представьте себе шар. Это пример простой или тривиальной волновой функции. Теперь представьте ленту Мебиуса, структуру, которую исследовал в своих работах Мауриц Эшер. Это пример сложной или нетривиальной волновой функции. Квантовый мир наполнен объектами, состоящими именно из нетривиальных функций».
«Но до сих пор квантовую геометрию можно было определить только теоретически, а иногда и вовсе никак. Между тем квантовая геометрия становится все более важной, поскольку физики открывают все больше и больше материалов. Они находят применение в квантовых компьютерах и в продвинутых электронных и магнитных устройствах.
Команда МТИ решила проблему, используя метод, называемый фотоэмиссионной спектроскопией с угловым разрешением (angle-resolved photoemission spectroscopy или сокращенно ARPES). Комин, Канг и их коллеги использовали этот метод в других исследованиях. Например, в 2022 году они сообщили об открытии «секретного вещества» (дословно secret sauce, секретный соус), стоящего за экзотическими свойствами нового квантового материала, известного как металл кагоме. Эта работа также вышла в Nature Physics.
В текущей работе команда адаптировала ARPES для измерения квантовой геометрии «металла кагоме».
Взаимовыручка во время пандемии
Канг подчеркивает, что возможность измерять квантовую геометрию материалов «появилась благодаря тесному сотрудничеству между теоретиками и экспериментаторами из разных стран».
Успеху исследования неожиданно способствовала пандемия COVID-19. Канг, уроженец Южной Кореи, находился во время пандемии на родине. «Пользуясь отсутствием авиасообщения, я плодотворно пообщался с физиками-теоретиками в Южной Корее», - говорит Канг.
Пандемия открыла необычные возможности и перед Комином. Он отправился на историческую родину в Италию, чтобы помочь в проведении экспериментов ARPES в итальянской национальной лаборатории по исследованию источников света Elettra. Лаборатория была закрыта во время карантина, но заработала, когда прибыл Комин.
У Канга оказался положительный тест на COVID, и он не смог вовремя присоединиться к коллеге. Комин был вынужден провести эксперименты самостоятельно при поддержке итальянских ученых.
«Как профессор, я руковожу проектами, но практическую часть работы проводят студенты и аспиранты. Так что, скорее всего, это последнее исследование, в котором я собственноручно проводил эксперименты», — говорит ученый.
Недавно мы рассказали о том, что Юпитер может стать детектором таинственной темной материи.
