Откритието, което променя квантовата физика, остана почти незабелязано

Пробив във физиката на твърдото тяло.

От десетилетия физиците обсъждат т.нар. квантово разстояние – начин да се измери колко сходни или различни са две квантови състояния. В тази скала стойността „1“ означава пълна идентичност на състоянията, а „0“ – тяхната абсолютна противоположност. Директното измерване на този параметър в реалните материали засега обаче остава недостижимо: за целта е необходимо не само да се „видят“ електроните, но и да се разбере фината им геометрия на квантово ниво, което е изключително трудно при твърдите тела.

За първи път международен екип от изследователи успя експериментално да измери квантовото разстояние на електроните в реален кристал. Според професора по физика в университета Йонсе (Сеул) Кюн Су Ким този резултат е важен не само за разбирането на необичайните квантови явления в твърдите тела, включително високотемпературната свръхпроводимост, но и за разработването на устойчиви на грешки квантови компютърни технологии.

В качеството на образец учените избират черния фосфор – елементарен слоест кристал с проста и добре изучена структура, което го прави подходящ за изучаване на квантовата геометрия на електроните.

За измерванията е използвана спектроскопия на фотоемисия с ъглова резолтация (ARPES), за да се картографира поведението на електроните в материята. Освен това екипът е анализирал как се променят резултатите при промяната на поляризацията на светлината, което им е позволило да реконструират псевдоспиновата структура на електроните във валентната зона.

Казано по-просто, това означава, че изследователите са проследили как вътрешното квантово свойство на електроните се променя в пространството на импулса – „картата“ на всички възможни състояния на движение. Подобни прецизни измервания са изисквали синхротронно излъчване от Advanced Light Source в САЩ – един от най-модерните източници на регулируеми светлинни лъчи с висок интензитет.

От получените данни стана възможно директно да се изчисли квантовото разстояние и, което е по-важно, пълният квантов метричен тензор – математическото описание на геометрията на квантовите състояния. За първи път този параметър е измерен за електроните на Блох в твърдо тяло.

Авторите подчертават, че това откритие може да помогне да се обясни природата на необичайните свойства на материалите, като свръхпроводимостта без съпротивление или проводимостта при високи температури. В бъдеще то може да даде насоки за разработването на по-съвършени полупроводници, свръхпроводници и практически квантови технологии.

Досега методът е тестван само върху черен фосфор в лабораторни условия. Прилагането му към по-сложни материали, особено такива със силни електронни взаимодействия, ще бъде голямо предизвикателство. Учените възнамеряват да разширят обхвата на своята разработка и върху други кристални системи.

Резултатите са публикувани в авторитетното списание Science.