За първи път изследователи успяха да измерят формата на електрон, докато той се движи в твърдо тяло.

Това постижение може да открие изцяло нов начин за разбиране на поведението на електроните в различните материали.

Откритието им разкрива множество ефекти, които биха могли да бъдат от значение за широк кръг от области – от квантовата информатика до производството на електроника.

Резултатите са дело на екип, ръководен от физика Рикардо Комин, професор в Масачузетския технологичен институт (MIT), в сътрудничество с други институции.

„На практика разработихме метод за получаване на напълно нова информация, която досега беше недостъпна“, казва Комин.

Неговият колега и съавтор, Мингу Канг, е извършил голяма част от изследванията в MIT, преди да продължи работата си в университета „Корнел“.

Нов поглед върху формата на електрона

Физиците изучават електроните от десетилетия, но вълновият аспект на тези частици носи допълнителна сложност.

Електроните могат да бъдат описани не просто като малки точки, а и като „вълнови функции“.

Тези вълнови функции приличат на форми или повърхности в многомерни пространства. Понякога тези форми са сравнително прости, но в други случаи са сложни и трудни за измерване.

Използвайки метод, наречен ъглово-разрешена фотоемисионна спектроскопия (ARPES), екипът е записал детайли за поведението на електроните при облъчването им със светлина.

ARPES им е помогнал да установят едно досега неуловимо свойство на електроните, което крие ключа към по-доброто разбиране на тяхната геометрия.

Защо формата на електрона е важна?

Обикновено говорим за енергията или скоростта на електрона – това са познати понятия.

Геометрията, от друга страна, описва моделите или формите, които вълните на електроните могат да приемат, когато са подредени в твърдо тяло.

Квантовата геометрия влияе върху начина, по който тези частици взаимодействат, свързват се и дори пораждат необичайни явления.

Един такъв пример е свръхпроводимостта, при която електроните се движат през материал без никакво съпротивление.

Друг пример е, когато електроните образуват подредени структури, подобни на група синхронизирани танцьори.

Наблюдението на геометрията може да помогне на учените да проектират нови материали с уникални електронни свойства.

Връзката с „кагоме“ металите

Екипът е измерил този геометричен ефект в клас материали, наречени „кагоме“ метали.

Те са кръстени на повтарящ се модел от атоми, който наподобява поредица от преплетени триъгълници.

Тази решетъчна структура може да повлияе на начина, по който електроните се движат и обменят енергия.

Физиците отдавна проявяват интерес към „кагоме“ металите, тъй като те проявяват специфични свойства, които не са често срещани в други материали.

Наблюдението на геометрията в тях би могло да обясни защо електроните в тези метали понякога се подреждат по специфични начини, които предизвикват свръхпроводимост или други необичайни ефекти.

ARPES и квантовите форми

По време на експериментите с ARPES изследователите насочват лъч от фотони към кристал.

Светлината изтласква електрони от материала, което позволява на учените да измерят техните ъгли и спинове.

Събирайки тези данни, те реконструират как се движат електроните вътре в кристала и какви форми образуват.

Този метод е изключително сложен, тъй като изисква специализирано оборудване и съоръжения.

Въпреки това той предоставя уникален поглед върху процеси, случващи се в мащаби, по-малки от една милиардна от инча.

Приложения и потенциални ползи

Прецизното измерване на квантовата геометрия може да доведе до напредък в области, които разчитат на контрола върху електроните.

Квантовите изчисления, например, зависят от поддържането на стабилни електронни състояния по време на изчислителния процес.

Изследователите търсят материали, които могат надеждно да поддържат тези състояния без нежелани смущения.

Ако учените разберат и евентуално успеят да проектират геометрията на електроните, те биха могли да подобрят свръхпроводниците или дори да разработят електронни устройства, които губят много малко енергия под формата на топлина.

Тъй като енергийната ефективност става все по-важна, контролът върху потока на електрони в такива миниатюрни мащаби има реална стойност.

Прозрения от глобално сътрудничество

Това проучване е резултат от партньорство между институции от различни части на света. Сътрудниците са обединили теоретичен и експериментален опит.

Тяхната колективна експертиза е направила възможно проектирането, синтезирането и измерването на електронната структура на „кагоме“ метал.

Пандемията е принудила някои членове на екипа да работят дистанционно, но също така е позволила на други да поемат нови роли в частично затворените лаборатории.

Тази неочаквана промяна е помогнала за напредъка на работата и е демонстрирала колко тясно свързани трябва да бъдат теорията и експериментът при извършването на високопрецизни измервания.

Една форма на електрона, много възможности

Квантовата геометрия е много по-богата от стандартната геометрия, която изучаваме в ежедневието.

Формата на вълновата функция на електрона не прилича на обикновен кръг или сфера. Тя може да приема форми, които се усукват и извиват в по-високи измерения.

Наблюдението на специфична форма в реален материал потвърждава теоретични прогнози, които учените преследват от дълго време.

Това означава, че теоретичните модели, описващи вълновите функции, имат реални и измерими последствия.

Вече съществува и доказан метод за тяхното измерване, което позволява бъдещи изследвания да се насочат към екзотични материали, проявяващи други модели или нови свойства.

Какво предстои?

Учените планират да усъвършенстват техники като ARPES и да ги адаптират за изследване на широк спектър от материали.

Те се надяват да разберат как квантовата геометрия влияе на проводимостта, магнетизма и други състояния, които са от значение за практически приложения.

Физиците също така виждат потенциал в откриването на начини, по които манипулирането на геометрията може да накара електроните да заменят обичайното си поведение с по-синхронизирано и съвместно такова.

Тази синхронизация е важна за технологии, които разчитат на едновременния контрол на множество електрони, като например квантови сензори или елементи на паметта.

Според експерти тези открития вероятно ще вдъхновят по-амбициозни експерименти за разкриване на аспекти на квантовата геометрия, които досега не сме могли да измерим.

С всеки нов резултат изследователите на материали се доближават до създаването на дизайни за електронните компоненти на бъдещето.

Електронът може да е миниатюрен, но той разкрива тайни, които ще оформят бъдещето на технологиите, пише Nature Physics.