פריצת דרך חדשה עשויה לעזור למדענים לפתור כמה מהתעלומות של הממלכה הקוונטית.
בפעם הראשונה, הפיזיקאים הצליחו למדוד את ה"צורה" הגיאומטרית שאלקטרון בודד מאמץ כשהוא נע דרך מוצק. זה הישג שיפתח דרך חדשה לגמרי לחקור כיצד מוצקים גבישיים מתנהגים ברמה קוונטית.
"בעצם פיתחנו תוכנית להשגת מידע חדש לחלוטין שלא ניתן היה להשיג קודם לכן,"אומר הפיזיקאי ריקרדו קומיןמהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT).
את המחקר הובילו הפיזיקאים מינגו קאנג - לשעבר מ-MIT וכיום באוניברסיטת קורנל - וסונג'י קים מהאוניברסיטה הלאומית של סיאול.
בתוך היקום הפיזי, החומר מתנהג בדרכים המתוארות היטב על ידי הפיזיקה הקלאסית.
עם זאת, ברמה בסיסית יותר של אינטראקציות חלקיקים ושיטות מדידה, דברים יכולים להיות קצת מוזרים. על הסולמות המשובחים ביותר, הדיוק חייב לפנות את מקומו לתיאור מעורפל יותר המיוצג על ידי גלי אפשרויות המכונה מכניקת קוונטים.
אנו מתייחסים לאובייקטים כמו אלקטרונים כאל חלקיקים, וזה מעביר את הרושם שהם כמו כדורים קטנים וקטנטנים. בהתחשב בגודלם, המאפיינים והתנהגויות של אלקטרונים מתוארים בצורה הרבה יותר מדויקת על ידי הטבע הקוונטי דמוי הגל שלהם.
כדי לתאר את היבט הגל של אלקטרונים, פיזיקאים משתמשים בפונקציות גל: מודלים מתמטיים המתארים את תכונות הגל כאפשרויות מתפתחות של מציאת החלקיק במקום ספציפי עם תכונות ספציפיות.
חלק מהמאפיינים הללו אנו יכולים לחשוב עליהם כסוג של גיאומטריה, לעתים קרובות לא דומה לעקומה או לכדור המסתובבים במספר אינסופי של כיוונים. צורות אחרות של גיאומטריה קוונטית, כמו אלו שלשל אטומים, הם מסובכים כמו אבקבוק קלייןאו ארצועת מוביוס.
קביעת כמה היבטים של המבולגןגיאומטריה קוונטית של אלקטרון במוצק כללה בעבר ניחושים רבים המבוססים על תכונות שפיזיקאיםפַּחִיתלִמְדוֹד.
כדי למדוד את הגיאומטריה הקוונטית של אלקטרונים, קאנג, ג'י ועמיתיהם חיפשו מדידה של תכונה המכונה טנסור גיאומטרי קוונטי, או QGT. זוהי גודל פיזיקלי המקודד את כל המידע הגיאומטרי של מצב קוונטי,דומה להאופן שבו הולוגרמה דו מימדית מקודדת מידע על מרחב תלת מימדי.
הטכניקה שבה השתמשו נקראתספקטרוסקופיה פוטו-פליטה עם פתרון זווית, שבו פוטונים נורים לעבר חומר כדי לעקור אלקטרונים ולמדוד את תכונותיהם, כגון קיטוב, ספין וזווית.
זה היה מכוון לגבישים בודדים של סגסוגת קובלט-פח, חומר המכונה אמתכת קגומה– חומר קוונטי שהצוות חקר בעבר באמצעות אותה טכניקה.
התוצאות סיפקו לחוקרים את המדידה הראשונה של ה-QGT במוצק, ומכאן, הם הצליחו להסיק את שאר הגיאומטריה הקוונטית של האלקטרונים במתכת.
הצוות השווה זאת לגיאומטריה קוונטית הנגזרת תיאורטית עבור אותו חומר, מה שאפשר להם לקבוע את התועלת של הערכת הגיאומטריה לעומת מדידה ישירה.
והם אומרים, הטכניקה שלהם תהיה ישימה על מגוון רחב של חומרים, לא רק סגסוגת קובלט-פח המשמשת למחקר זה. זו תוצאה שתהיה לה כמה השלכות מעניינות. לדוגמה, ניתן למנף גיאומטריה קוונטית לגילויבחומרים שבהם הוא לא נמצא בדרך כלל.
"הפרשנות הגיאומטרית של מכניקת הקוונטים עומדת בבסיס התקדמויות רבות אחרונות בפיזיקת החומר המעובה,"אנונימיאמר מומחהפיזיקת הטבע.
"המחברים הללו היו חלוצים במתודולוגיה לגישה ניסיונית לטנזור הגיאומטרי הקוונטי, המאפיין ביסודו את התכונות הגיאומטריות של מצבים קוונטיים. המתודולוגיה שפותחה היא פשוטה, ישימה לחומרים שונים במצב מוצק, ויש לה פוטנציאל גדול להגביר את הפעילות הניסויית במרדף אחר הבנה גיאומטרית של תופעות קוונטיות חדשות."
המחקר של הצוות פורסם בפיזיקת הטבע.
