تیم MIT برای اولین بار هندسه کوانتومی در فلز کاگومه را رمزگشایی کرد
هندسه یا شکل یک سیستم کوانتومی به صورت ریاضی توسط ابزاری به نام تنسور هندسی کوانتومی (QGT) توصیف می‌شود. این ابزار همچنین توضیح می‌دهد چگونه حالت یک سیستم کوانتومی هنگامی که برخی پارامترها مانند میدان مغناطیسی یا دما تغییر می‌کنند، تغییر می‌کند.
برای اولین بار، پژوهشگران در MIT موفق به اندازه‌گیری QGT الکترون‌ها در مواد جامد شدند. دانشمندان به خوبی با روش‌های محاسبه انرژی و حرکت الکترون‌ها آشنا بودند، اما تا کنون فهم شکل کوانتومی آنها تنها به صورت تئوری ممکن بود.
در طی این مطالعه، آنها موفق به اندازه‌گیری QGT الکترون‌ها در فلز کاگومه شدند. اما روش آنها محدود به این فلز خاص نیست و می‌تواند برای تعیین هندسه الکترون‌ها در هر ماده کوانتومی استفاده شود.
فهم عملکرد موج الکترون
فهم هندسه مهم است زیرا نشان می‌دهد چگونه الکترون‌ها حرکت می‌کنند، تعامل می‌کنند، و بر ویژگی‌های ماده مانند رسانایی، مغناطیس و ابررسانایی تأثیر می‌گذارند. همچنین کمک می‌کند تا رفتارهای کوانتومی غیرعادی کشف شوند.
الکترون‌ها می‌توانند هم به صورت ذره و هم به صورت موج رفتار کنند. هنگامی که به صورت موج عمل می‌کنند، الگوهای موج مانند تشکیل می‌دهند که با استفاده از توابع موج توصیف می‌شوند – توصیفات ریاضی که احتمال مکان و سایر ویژگی‌های الکترون را در یک زمان خاص پیش‌بینی می‌کنند.
«تا کنون، هندسه کوانتومی توابع موج تنها به صورت نظری قابل استنباط بود، یا گاهی اصلاً ممکن نبود» نویسندگان مطالعه گفتند.
با این حال، «این ویژگی با توجه به این‌که فیزیکدانان بیشتر و بیشتر مواد کوانتومی با کاربردهای بالقوه در هر چیزی از کامپیوترهای کوانتومی تا دستگاه‌های الکترونیکی و مغناطیسی پیشرفته پیدا می‌کنند، اهمیت بیشتری پیدا می‌کند» آنها افزودند.
جادوی ARPES
برای رمزگشایی هندسه عملکرد موج، پژوهشگران از اسپکتروسکوپی فوتوالکترون‌های زاویه‌سنجی‌شده (ARPES)، تکنیکی که رفتار الکترون‌ها درون یک ماده را روشن می‌کند، استفاده کردند.
آنها فلز کاگومه را با نور مورد اصابت قرار دادند که باعث انتشار الکترون‌ها شد، ARPES انرژی و جهت الکترون‌ها را دنبال کرده و نقشه‌ای از چگونگی توزیع آنها در فلز ایجاد کرد.
این داده‌ها شکل و ساختار حالات انرژی الکترون را نشان داد، نشان می‌دهد چگونه آنها در ماده حرکت کرده و با شبکه آن تعامل می‌کنند.
این به تیم MIT اجازه داد تا هندسه کوانتومی (یعنی QGT) الکترون‌ها و همچنین سایر ویژگی‌های مهم مانند ساختار نواری و ویژگی‌های توپولوژیکی را تحلیل کند. «با استفاده از این چارچوب، ما بازسازی موثر QGT را در فلز کاگومه CoSn که گروه‌های صاف توپولوژیکی دارد، نشان می‌دهیم» نویسندگان مطالعه گفتند.
ریکاردو کومین، یکی از نویسندگان مطالعه و استاد فیزیک در MIT، افزود: «ما عملاً نقشه‌ای برای به دست آوردن برخی اطلاعات کاملاً جدید که قبلاً قابل دستیابی نبود، توسعه داده‌ایم».
این مطالعه در نشریه Nature Physics منتشر شده است.
