Fyzici poprvé změřili kvantovou geometrii elektronů

Fyzici z MIT a jejich kolegové poprvé změřili geometrii, neboli tvar, elektronů v pevných látkách na kvantové úrovni. Vědci sice dlouho věděli, jak měřit energie a rychlosti elektronů v krystalických materiálech, ale až doposud se kvantová geometrie těchto systémů dala pouze teoreticky odvodit, nebo vůbec ne.

Práce, publikovaná 25. listopadu v časopise Nature Physics, „otevírá nové cesty k pochopení a manipulaci s kvantovými vlastnostmi materiálů,“ říká Riccardo Comin, profesor fyziky na MIT a vedoucí výzkumu.

„V podstatě jsme vyvinuli plán pro získání zcela nových informací, které předtím nebylo možné získat,“ říká Comin, který je také přidružen k Materiálovému výzkumnému centru MIT a Výzkumné laboratoři elektroniky.

Práce by se dala aplikovat na „jakýkoli typ kvantového materiálu, nejen na ten, na kterém jsme pracovali,“ říká Mingu Kang, hlavní autor článku v Nature Physics, který práci provedl jako postgraduální student MIT a nyní je postdoktorandský vědec na Cornellově univerzitě.

Kang byl také požádán, aby napsal doprovodnou zprávu o výzkumu, včetně jeho důsledků, pro číslo Nature Physics z 25. listopadu.

Podivný svět

V podivném světě kvantové fyziky lze elektron popsat jak jako bod v prostoru, tak jako vlnovou strukturu. Srdcem současné práce je fundamentální objekt známý jako vlnová funkce, která popisuje to druhé. „Můžete si to představit jako povrch ve trojrozměrném prostoru,“ říká Comin.

Existují různé typy vlnových funkcí, od jednoduchých po složité. Představte si míč. To je analogické s jednoduchou, nebo triviální, vlnovou funkcí. Nyní si představte Möbiovu pásku, strukturu, kterou zkoumal M.C. Escher ve svém umění. To je analogické se složitou, nebo netriviální, vlnovou funkcí. A kvantový svět je plný materiálů složených z těch druhých.

Ale až doposud se kvantová geometrie vlnových funkcí dala pouze teoreticky odvodit, nebo vůbec ne. A tato vlastnost se stává stále důležitější, protože fyzici nacházejí stále více kvantových materiálů s potenciálním využitím ve všem, od kvantových počítačů až po pokročilá elektronická a magnetická zařízení.

Tým z MIT problém vyřešil pomocí techniky zvané úhlově rozlišená fotoemisní spektroskopie, neboli ARPES. Comin, Kang a někteří ze stejných kolegů použili tuto techniku v jiném výzkumu. Například v roce 2022 informovali o objevení „tajné omáčky“ za exotickými vlastnostmi nového kvantového materiálu známého jako kagome kov. Tato práce také vyšla v Nature Physics. V současné práci tým adaptoval ARPES k měření kvantové geometrie kagome kovu.

Úzká spolupráce

Kang zdůrazňuje, že nová schopnost měřit kvantovou geometrii materiálů „vyplynula z úzké spolupráce teoretiků a experimentátorů“.

Pandemie Covid-19 také měla svůj vliv. Kang, který pochází z Jižní Koreje, sídlil během pandemie v této zemi. „To usnadnilo spolupráci s teoretiky v Jižní Koreji,“ říká Kang, experimentátor.

Pandemie také vedla k neobvyklé příležitosti pro Comina. Cestoval do Itálie, aby pomohl spustit experimenty ARPES na italském světelném zdroji Elettra, národním laboratoři. Laboratoř byla během pandemie uzavřena, ale začala se znovu otevírat, když Comin dorazil. Zjistil se však sám, když Kang pozitivně testoval na Covid a nemohl se k němu připojit. Takže neúmyslně experimenty sám spustil s podporou místních vědců. „Jako profesor vedl projekty, ale studenti a postdoktorandi práci skutečně prováděli. Toto je tedy v podstatě poslední studie, kam jsem sám skutečně přispěl do experimentů,“ říká s úsměvem.

Kromě Kanga a Comina jsou dalšími autory článku v Nature Physics Sunje Kim z Soulské národní univerzity (Kim je spoluautorkou s Kang); Paul M. Neves, postgraduální student na MIT; Linda Ye ze Stanfordské univerzity; Junseo Jung z Soulské národní univerzity; Denny Puntel z univerzity v Terstu; Federico Mazzola z Consiglio Nazionale delle Ricerche a Univerzity Ca’ Foscari v Benátkách; Shiang Fang z Google DeepMind; Chris Jozwiak, Aaron Bostwick a Eli Rotenberg z Lawrence Berkeley National Laboratory; Jun Fuji a Ivana Vobornik z Consiglio Nazionale delle Ricerche; Jae-Hoon Park z Max Planck POSTECH/Korea Research Initiative a Pohang University of Science and Technology; Joseph G. Checkelsky, docent fyziky na MIT; a Bohm-Jung Yang z Soulské národní univerzity, kteří spolu s Cominem vedli výzkumný projekt.

Na této práci se podílely tyto instituce: U.S. Air Force Office of Scientific Research, U.S. National Science Foundation, Gordon and Betty Moore Foundation, National Research Foundation of Korea, Samsung Science and Technology Foundation, U.S. Army Research Office, U.S. Department of Energy Office of Science, Heising-Simons Physics Research Fellow Program, Tsinghua Education Foundation, NFFA-MUR Italy Progetti Internazionali facility, Samsung Foundation of Culture a Kavli Institute at Cornell.