Fizycy po raz pierwszy dokonują pomiaru geometrii kwantowej

Fizycy i współpracownicy z MIT po raz pierwszy zmierzyli geometrię, czyli kształt elektronów w ciałach stałych, na poziomie kwantowym. Naukowcy od dawna wiedzą, jak mierzyć energię i prędkość elektronów w materiałach krystalicznych, ale do tej pory geometrię kwantową tych układów można było wywnioskować jedynie teoretycznie, a czasami w ogóle nie można było tego wywnioskować.

Praca opisana w Wydanie z 25 listopada z Fizyka Przyrody„otwiera nowe możliwości zrozumienia właściwości kwantowych materiałów i manipulowania nimi” – mówi Riccardo Comin, profesor nadzwyczajny fizyki zajmujący się rozwojem kariery zawodowej w MIT w 1947 r. i kierownik prac.

„Zasadniczo opracowaliśmy plan uzyskania zupełnie nowych informacji, których nie można było uzyskać wcześniej” – mówi Comin, który jest również powiązany z Laboratorium Badań Materiałowych i Laboratorium Badawczym Elektroniki MIT.

Wyniki pracy można zastosować do „dowolnego rodzaju materiału kwantowego, nie tylko tego, z którym pracowaliśmy” – mówi Mingu Kang, pierwszy autor artykułu o fizyce przyrody i stażysta podoktorski Kavli w Laboratorium Fizyki Atomowej i Ciała Stałego Cornell. Kang, doktor MIT 2023, prowadził pracę jako student studiów magisterskich na MIT.

Kang został również zaproszony do napisania komentarza Odprawa badawcza na temat pracy, w tym jej implikacji, w wydaniu z 25 listopada Fizyka Przyrody.

Dziwny świat

W dziwnym świecie fizyki kwantowej elektron można opisać zarówno jako punkt w przestrzeni, jak i kształt przypominający falę. Sercem obecnej pracy jest podstawowy obiekt znany jako funkcja falowa, który opisuje tę drugą. „Można o tym myśleć jak o powierzchni w trójwymiarowej przestrzeni” – mówi Comin.

Istnieją różne typy funkcji falowych, od prostych po złożone. Pomyśl o piłce. Jest to analogiczne do prostej lub trywialnej funkcji falowej. Teraz wyobraźmy sobie wstęgę Mobiusa, rodzaj struktury badanej przez MC Eschera w swojej sztuce. Jest to analogiczne do złożonej lub nietrywialnej funkcji falowej. A świat kwantowy jest wypełniony materiałami złożonymi z tych ostatnich.

Jednak do tej pory geometrię kwantową funkcji falowych można było wywnioskować jedynie teoretycznie, a czasami w ogóle nie można było tego wywnioskować. Właściwość ta staje się coraz ważniejsza, ponieważ fizycy znajdują coraz więcej materiałów kwantowych o potencjalnych zastosowaniach we wszystkim, od komputerów kwantowych po zaawansowane urządzenia elektroniczne i magnetyczne.

Zespół z MIT rozwiązał problem, stosując technikę zwaną kątową spektroskopią fotoemisyjną (ARPES). Comin, Kang i niektórzy z tych samych kolegów stosowali tę technikę w innych badaniach. Na przykład w 2022 r. donieśli o odkryciu „sekretnego sosu” kryjącego się za egzotycznymi właściwościami nowego materiału kwantowego znanego jako metal kagome. Ta praca także pojawiła się w Fizyka Przyrody.

W ramach bieżących prac zespół zaadaptował ARPES do pomiaru geometrii kwantowej metalu kagome.

Ścisła współpraca

Kang podkreśla, że ​​nowa możliwość pomiaru geometrii kwantowej materiałów „wynika ze ścisłej współpracy teoretyków i eksperymentatorów”.

Wpływ na to miała także pandemia Covid-19. Kang, który pochodzi z Korei Południowej, podczas pandemii przebywał w tym kraju. „Ułatwiło to współpracę z teoretykami z Korei Południowej” – mówi Kang, eksperymentator.

Pandemia stworzyła także niezwykłą szansę dla Comina. Udał się do Włoch, aby pomóc w prowadzeniu eksperymentów ARPES we włoskim laboratorium Light Source Elettra. Laboratorium było zamknięte podczas pandemii, ale zaczęło się ponownie otwierać, gdy przybył Comin.

Znalazł się jednak sam, gdy Kang uzyskał pozytywny wynik testu na obecność Covid-19 i nie mógł do niego dołączyć. Dlatego niechcący sam przeprowadził eksperymenty, przy wsparciu lokalnych naukowców.

„Jako profesor kieruję projektami, ale całą pracę wykonują studenci i postdoktoranci. Jest to więc w zasadzie ostatnie badanie, w którym sam brałem udział w eksperymentach” – mówi.