Геометрия квантового мира: Covid-19 помог физикам измерить неизмеримое
NewsMakerMIT раскрывает секрет формы электронов.
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.
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.