MIT-fysiker och deras kollegor har för första gången mätt geometrin, eller formen, hos elektroner i fasta ämnen på kvantnivå. Forskare har länge vetat hur man mäter energier och hastigheter hos elektroner i kristallina material, men fram till nu har dessa systems kvantgeometri endast kunnat härledas teoretiskt, eller ibland inte alls.
Arbetet, som redovisas i Nature Physics den 25 november, ”öppnar nya vägar för att förstå och manipulera materialens kvantegenskaper”, säger Riccardo Comin, MIT:s Class of 1947 Career Development Associate Professor of Physics och ledare för arbetet.
”Vi har i princip utvecklat en plan för att få fram helt ny information som inte har kunnat erhållas tidigare”, säger Comin, som också är knuten till MIT:s Materials Research Laboratory och Research Laboratory of Electronics.
Arbetet skulle kunna tillämpas på ”alla typer av kvantmaterial, inte bara det vi arbetade med”, säger Mingu Kang, försteförfattare till artikeln i Nature Physics och Kavli Postdoctoral Fellow vid Cornells Laboratory of Atomic and Solid State Physics. Kang, som tar sin doktorsexamen vid MIT 2023, utförde arbetet som doktorand vid MIT.
Kang blev också inbjuden att skriva en medföljande Research Briefing om arbetet, inklusive dess konsekvenser, för den 25 november-utgåvan av Nature Physics.
En konstig värld
I kvantfysikens märkliga värld kan en elektron beskrivas som både en punkt i rummet och en vågliknande form. I centrum för det aktuella arbetet står ett fundamentalt objekt, en så kallad vågfunktion, som beskriver den senare. ”Du kan tänka på den som en yta i ett tredimensionellt rum”, säger Comin.
Det finns olika typer av vågfunktioner, allt från enkla till komplexa. Tänk på en boll. Det är analogt med en enkel eller trivial vågfunktion. Föreställ dig nu en Mobiusremsa, den typ av struktur som M.C. Escher utforskade i sin konst. Det är analogt med en komplex, eller icke-trivial vågfunktion. Och kvantvärlden är fylld av material som består av de senare.
Men fram till nu har vågfunktionernas kvantgeometri bara kunnat härledas teoretiskt, eller ibland inte alls. Och egenskapen blir allt viktigare i takt med att fysikerna hittar fler och fler kvantmaterial med potentiella tillämpningar i allt från kvantdatorer till avancerade elektroniska och magnetiska apparater.
Schematisk bild av den spinnupplösta CD-ARPES-uppsättningen. Kredit: Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02678-8
MIT-teamet löste problemet med hjälp av en teknik som kallas vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi, eller ARPES. Comin, Kang och några av samma kollegor hade använt tekniken i annan forskning. År 2022 rapporterade de till exempel att de hade upptäckt den ”hemliga såsen ” bakom de exotiska egenskaperna hos ett nytt kvantmaterial som kallas kagome-metall. Även det arbetet publicerades i Nature Physics.
I det aktuella arbetet anpassade teamet ARPES för att mäta kvantgeometrin hos en kagome-metall.
Nära samarbeten
Kang betonar att den nya förmågan att mäta materialens kvantgeometri ”kommer från det nära samarbetet mellan teoretiker och experimentalister”.
Även covid-19-pandemin hade en inverkan. Kang, som är från Sydkorea, var baserad i landet under pandemin. ”Det underlättade samarbetet med teoretiker i Sydkorea”, säger Kang, som är experimentalist.
Pandemin ledde också till en ovanlig möjlighet för Comin. Han reste till Italien för att hjälpa till att driva ARPES-experimenten vid Italian Light Source Elettra, ett nationellt laboratorium. Laboratoriet var stängt under pandemin, men började öppnas igen när Comin anlände.
Han blev dock ensam när Kang testades positivt för covid-19 och inte kunde följa med honom. Så han fick oavsiktligt utföra experimenten själv med stöd av lokala forskare.
”Som professor leder jag projekt, men det är studenter och postdoktorer som faktiskt utför arbetet. Så det här är i princip den sista studien där jag faktiskt har bidragit till själva experimenten”, säger han.
För mer information: Mingu Kang et al, Measurements of the quantum geometric tensor in solids, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02678-8
Quantum geometry in solids measured using photo-emitted electrons, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02681-z
