Впервые в истории науки, группа исследователей смогла определить форму электрона, проходящего через твердое вещество. Это прорывное достижение может послужить основой для принципиально новых методов изучения поведения электронов в различных материалах.

Фото: https://pixabay.com/de/atom-elektron-neutron-atomkraft-1222511/ by Gerd Altmann, https://creativecommons.org/public-domain/pdm/

атом

Данное открытие демонстрирует целый ряд эффектов, которые могут иметь колоссальное значение для развития квантовой информатики и производства электроники нового поколения.

Результаты исследования были получены международной командой ученых под руководством Риккардо Комина, профессора физики Массачусетского технологического института.

Комин отметил, что они разработали уникальный подход к получению принципиально новой информации, которая ранее была недоступна. Его коллега, Мингу Канг, внес значительный вклад в данное исследование, работая в Массачусетском технологическом институте до перехода в Корнеллский университет. Физики долгое время изучают электроны, однако волновой характер этих частиц представляет собой значительную сложность. Электроны можно рассматривать не только как микроскопические точки, но и как "волновые функции".

Эти волновые функции представляют собой сложные формы или поверхности в многомерных пространствах. В некоторых случаях эти формы относительно просты, в других – чрезвычайно запутанны и трудны для измерения. Применяя фотоэмиссионную спектроскопию с угловым разрешением (ARPES), научная группа смогла зафиксировать подробности поведения электронов при воздействии света.

Метод ARPES позволил установить ранее не поддающееся обнаружению свойство электронов, играющее ключевую роль в понимании их геометрии. Обычно, когда речь заходит об электронах, мы говорим об их энергии или скорости, но геометрия отражает закономерности или формы, которые могут приобретать электронные волны, находясь в твердом теле.

Квантовая геометрия оказывает влияние на взаимодействие частиц, их объединение в пары и даже на возникновение аномального поведения. Примером этого является сверхпроводимость, когда электроны перемещаются по материалу без какого-либо сопротивления.

Другой пример – когда электроны образуют упорядоченные структуры, напоминающие синхронный танец. Наблюдение за геометрией электронов может помочь ученым в разработке новых материалов с уникальными электронными свойствами.

В ходе работы исследователи измерили геометрический эффект в материалах, известных как металлы кагоме. Эти материалы получили свое название из-за повторяющегося узора атомов, напоминающего сеть взаимосвязанных треугольников. Такая решетчатая структура может оказывать влияние на движение и распределение энергии электронов.

Металлы кагоме уже давно привлекают внимание физиков благодаря их необычному поведению, не характерному для многих других материалов. Наблюдение за геометрией внутри этих материалов может объяснить, почему электроны в них выстраиваются определенным образом, что приводит к усилению сверхпроводимости или другим необычным явлениям. 

Во время экспериментов ARPES кристалл облучается пучком фотонов, которые выбивают электроны из материала, позволяя ученым измерить углы и спины этих частиц. На основе этих данных ученые реконструируют движение электронов внутри кристалла и формы, которые они образуют. Этот метод, несмотря на свою сложность и необходимость использования высокотехнологичного оборудования, предоставляет уникальную возможность заглянуть в процессы, происходящие на расстояниях, измеряемых в миллиардных долях дюйма. Точное измерение квантовой геометрии может привести к прорывам в областях, зависящих от управления электронами. 

Например, квантовые вычисления требуют поддержания стабильных электронных состояний при выполнении операций. Исследователи стремятся создать материалы, способные надежно сохранять эти состояния без нежелательных нарушений. Понимание и, возможно, проектирование геометрии электронов позволит улучшить сверхпроводники или даже разработать электронные устройства с минимальными потерями энергии на тепло. В условиях растущей важности энергоэффективности, управление потоком электронов на столь малых масштабах приобретает огромное значение. Ученые планируют усовершенствовать методы, такие как ARPES, и адаптировать их для изучения широкого спектра материалов. Они надеются установить, как квантовая геометрия влияет на проводимость, магнетизм и другие параметры, важные для практического применения. Кроме того, физики видят перспективы в обнаружении способов, как манипулирование геометрией может заставить электроны менять свои обычные привычки на более скоординированное поведение. Такая синхронизация важна для технологий, основанных на управлении несколькими электронами одновременно, таких как квантовые датчики или элементы памяти. 

Специалисты полагают, что полученные результаты стимулируют более амбициозные эксперименты, направленные на раскрытие аспектов квантовой геометрии, которые ранее были недоступны для измерения. С каждым новым результатом исследователи материалов приближаются к созданию электронных компонентов будущего. Электрон может быть крошечным, но он открывает секреты о формировании будущих технологий. Коллективный опыт команды позволил спроектировать, синтезировать и измерить электронную структуру металла кагоме. Пандемия внесла свои коррективы, вынудив некоторых участников работать удаленно, но также позволила другим членам команды взять на себя новые роли в частично закрытых лабораториях. Этот неожиданный поворот событий способствовал продвижению работы и продемонстрировал, насколько тесно должны быть связаны теория и эксперимент при проведении высокоточных измерений. 

Квантовая геометрия гораздо богаче стандартной геометрии, изучаемой в повседневной математике. Форма волновой функции электрона не похожа на обычный круг или сферу. Она может принимать сложные формы, скручиваться и образовывать петли в многомерных пространствах. Наблюдение этой формы в реальном материале подтверждает прогнозы, над которыми теоретики работали в течение долгого времени. Это означает, что теоретические конструкции, описывающие волновые функции, имеют реальные, измеримые последствия. И теперь, когда существует проверенный метод измерения этих форм, будущие исследования могут быть направлены на изучение экзотических материалов, демонстрирующих другие закономерности или новое поведение.

Уточнения

Металл кагоме - один из типов ферромагнитных квантовых материалов в физике твёрдого тела. Его атомная решётка состоит из многослойных треугольников и больших шестиугольных пустот, что формирует узор, похожий на звезду Давида.