Элизабет Томсон, Лаборатория исследования материалов, Массачусетский технологический институт
Физики Массачусетского технологического института и их коллеги впервые измерили геометрию или форму электронов в твердых телах на квантовом уровне. Ученые давно знают, как измерять энергии и скорости электронов в кристаллических материалах, но до сих пор квантовая геометрия этих систем могла быть выведена только теоретически, а иногда и вовсе не могла быть выведена.
Работа, опубликованная в выпуске журнала Nature Physics от 25 ноября , «открывает новые возможности для понимания и манипулирования квантовыми свойствами материалов», — говорит Риккардо Комин, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института, выпускник 1947 года, и руководитель работы. «По сути, мы разработали схему получения совершенно новой информации, которую невозможно было получить раньше», — говорит Комин, который также сотрудничает с Лабораторией исследования материалов и Лабораторией исследования электроники Массачусетского технологического института.
Работа может быть применена к «любому виду квантового материала, а не только к тому, с которым мы работали», — говорит Мингу Канг, первый автор статьи в Nature Physics и научный сотрудник Kavli в Лаборатории атомной и твердотельной физики Корнелла. Канг, доктор философии Массачусетского технологического института 2023 года, провел работу в качестве аспиранта Массачусетского технологического института. Кану также было предложено написать сопроводительный исследовательский обзор по работе, включая ее последствия, для выпуска журнала Nature Physics от 25 ноября .
Странный мир
В странном мире квантовой физики электрон можно описать и как точку в пространстве, и как волнообразную форму. В основе текущей работы лежит фундаментальный объект, известный как волновая функция , которая описывает последнее. «Вы можете думать о ней как о поверхности в трехмерном пространстве», — говорит Комин. Существуют различные типы волновых функций, от простых до сложных. Представьте себе шар. Это аналог простой или тривиальной волновой функции. Теперь представьте себе ленту Мёбиуса, тип структуры, исследованный М. К. Эшером в его искусстве . Это аналог сложной или нетривиальной волновой функции. И квантовый мир заполнен материалами, состоящими из последней. Но до сих пор квантовая геометрия волновых функций могла быть выведена только теоретически, а иногда и вовсе не выведена. И это свойство становится все более и более важным, поскольку физики находят все больше и больше квантовых материалов с потенциальными применениями во всем, от квантовых компьютеров до передовых электронных и магнитных устройств.
Команда MIT решила проблему, используя метод, называемый фотоэмиссионной спектроскопией с угловым разрешением , или ARPES. Комин, Канг и некоторые из тех же коллег использовали этот метод в других исследованиях. Например, в 2022 году они сообщили об открытии «секретного соуса», стоящего за экзотическими свойствами нового квантового материала, известного как металл кагоме. Эта работа также появилась в Nature Physics .
В текущей работе группа адаптировала ARPES для измерения квантовой геометрии металла кагоме.
Тесное сотрудничество
Канг подчеркивает, что новая возможность измерения квантовой геометрии материалов «возникает в результате тесного сотрудничества теоретиков и экспериментаторов». Пандемия COVID также оказала влияние. Кан, который родом из Южной Кореи, находился в этой стране во время пандемии. «Это способствовало сотрудничеству с теоретиками в Южной Корее», — говорит экспериментатор Кан. Пандемия также открыла необычную возможность для Комина. Он отправился в Италию, чтобы помочь провести эксперименты ARPES в итальянской лаборатории Light Source Elettra, национальной лаборатории. Лаборатория была закрыта во время пандемии, но начала открываться, когда прибыл Комин. Однако он оказался один, когда у Канга обнаружили COVID, и не смог присоединиться к нему. Поэтому он непреднамеренно провел эксперименты сам при поддержке местных ученых. «Как профессор, я руковожу проектами, но фактически работу выполняют студенты и постдокторанты. Так что это, по сути, последнее исследование, в котором я фактически внес вклад в сами эксперименты», — говорит он.
Дополнительная информация: Mingu Kang et al, Измерения квантового геометрического тензора в твердых телах, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02678-8
Квантовая геометрия в твердых телах, измеренная с использованием фотоэмиттированных электронов, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02681-z
Информация о журнале: Nature Physics
Предоставлено Лабораторией исследования материалов Массачусетского технологического института