Геометрия на квантовия свят: COVID-19 помогна на физици да измерят неизмеримото

Физици от Масачузетския технологичен институт (MIT) за първи път измериха геометричната форма на електроните в твърди тела на квантово ниво. Работата, публикувана на 25 ноември в списание Nature Physics дава нов поглед върху това как могат да се изучават и контролират свойствата на материята.

Ръководителят на изследването Рикардо Комин, доцент по физика в MIT отбелязва, че екипът е разработил принципно нов начин за получаване на информация, която преди това е оставала недостъпна.

В прекрасния свят на квантовата физика електронът има двойствена природа: той се държи едновременно като частица (точка в пространството) и като вълна. За да опишат това необичайно явление, физиците използват специален математически инструмент – вълновата функция, която съдържа цялата информация за квантовото състояние на електрона.

Вълновите функции са с различна сложност. Най-простите от тях могат да се сравнят с обикновена топка – формата им е симетрична и лесно се описват математически. В природата обаче по-често се срещат сложни функции, наподобяващи листа на Мьобиус – загадъчна структура с една повърхност, която художникът М. К. Ешер е изследвал в своите оптични илюзии.

Съвременните материали, представляващи интерес за физиците обикновено се характеризират с такива нетривиални вълнови функции. Досега учените можеха само теоретично да предсказват тяхната геометрия, и то не винаги успешно. В същото време точното разбиране на квантовите форми е от решаващо значение за създаването на нови технологии – от квантови компютри до усъвършенствани електронни устройства.

За да преодолее това ограничение, екипът прилага подобрена версия на техниката за фотоемисионна спектроскопия с ъглова резолюция (ARPES). Този метод им позволява да „фотографират“ електроните, които излитат от даден материал при взаимодействието им със светлината и да реконструират квантовата структура на веществото въз основа на неговите характеристики.

Екипът вече има опит в работата с ARPES: през 2022 година те го използват, за да разкрият механизма, отговорен за необичайните свойства на нов клас материали – кагометалите. Те имат уникална кристална решетка, наподобяваща японската шарка кагоме, която определя необичайните им електронни свойства.

В новото изследване учените модифицират метода ARPES, така че той да може не само да определя енергията и импулса на електроните, но и да измерва геометричната форма на техните квантови състояния. За тази цел е било необходимо значително да се усъвършенстват както самият инструмент, така и методите за анализ на данните.

Пандемията от COVID-19 оказа неочаквана помощ в работата на учените. Мингу Канг, докторант в университета „Корнел“ и първи автор на изследването се оказва в капан в родната си Южна Корея. Там той установява тясно сътрудничество с местни физици-теоретици, чиито прозрения му помагат да интерпретира правилно експерименталните данни.

За професор Комин пандемията също предоставя уникална възможност. Когато италианската национална лаборатория Light Source Elettra в Италия започнала да работи отново след карантината, той лично отишъл там, за да проведе експерименти, тъй като Канг не могъл да се присъедини, защото тестът му за COVID-19 бил положителен.

Когато Канг е диагностициран с COVID-19 и не успял да се присъедини към работата, Комин трябвало да проведе експериментите сам с подкрепата на местните учени. Професорът отбелязва, че подобни изследвания обикновено се провеждат от студенти и докторанти, така че това е бил последният път, в който той е участвал пряко в експерименталната работа. Новият метод дава нов поглед върху геометричните свойства на материята на квантово ниво. Възможността да се измерват тези характеристики на практика ще изведе развитието на технологиите няколко стъпки напред.