Геометрия квантового мира: Covid-19 помог физикам измерить неизмеримое

Физики из Массачусетского технологического института впервые измерили геометрическую форму электронов в твердых телах на квантовом уровне. Работа, опубликованная 25 ноября в журнале Nature Physics, позволяет по-новому взглянуть на то, как можно изучать и контролировать свойства материи.

Руководитель исследования Риккардо Комин, доцент физики MIT, отмечает, что команда разработала принципиально новый способ получать информацию, которая прежде оставалась недоступной.

В удивительном мире квантовой физики электрон проявляет двойственную природу: он одновременно ведет себя как частица (точка в пространстве) и как волна. Чтобы описать это необычное явление, физики используют особый математический инструмент - волновую функцию, которая содержит всю информацию о квантовом состоянии электрона.

Волновые функции бывают разной сложности. Самые простые из них можно сравнить с обычным мячом - их форма симметрична и легко описывается математически. Однако в природе чаще встречаются сложные функции, напоминающие ленту Мёбиуса - загадочную структуру с одной поверхностью, которую исследовал в своих оптических иллюзиях художник М.К. Эшер.

Современные материалы, интересующие физиков, как правило, характеризуются именно такими нетривиальными волновыми функциями. До настоящего момента ученые могли только теоретически предсказывать их геометрию, да и то не всегда успешно. Между тем, точное понимание квантовых форм критически важно для создания новых технологий - от квантовых компьютеров до передовых электронных устройств.

Чтобы преодолеть это ограничение, команда применила усовершенствованную версию метода фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES). Этот метод позволяет "фотографировать" электроны, вылетающие из материала при взаимодействии со светом, и по их характеристикам восстанавливать квантовую структуру вещества.

Команда уже имела опыт работы с ARPES: в 2022 году с его помощью они раскрыли механизм, отвечающий за необычные свойства нового класса материалов - кагоме-металлов. Они обладают уникальной кристаллической решеткой, напоминающей японский узор кагоме, что определяет их необычные электронные свойства.

В новом исследовании ученые модифицировали метод ARPES, чтобы он мог не только определять энергию и импульс электронов, но и измерять геометрическую форму их квантовых состояний. Для этого пришлось существенно доработать как сам инструмент, так и методы анализа данных.

Неожиданную помощь в работе оказала пандемия COVID-19. Мингу Канг, постдокторант из Корнельского университета и первый автор исследования, оказался заперт в родной Южной Корее. Там он наладил тесное сотрудничество с местными физиками-теоретиками, чьи идеи помогли правильно интерпретировать экспериментальные данные.

Профессору Комину пандемия тоже предоставила уникальную возможность. Когда национальная лаборатория Italian Light Source Elettra в Италии начала возобновлять работу после карантина, он лично отправился туда проводить эксперименты, поскольку Канг не смог присоединиться из-за положительного теста на COVID-19.

Когда у Канга выявили COVID-19, и он не смог присоединиться к работе, Комину пришлось проводить опыты самостоятельно, опираясь на поддержку местных ученых. Профессор замечает, что обычно такие исследования выполняют студенты и постдоки, поэтому для него это стало последним случаем непосредственного участия в экспериментальной работе.

Новый метод позволяет по-новому взглянуть на геометрические свойства материи на квантовом уровне. Возможность измерять эти характеристики на практике продвинет развитие технологий на несколько шагов вперед.