นักฟิสิกส์วัดเรขาคณิตควอนตัมของอิเล็กตรอนเป็นครั้งแรก

ความก้าวหน้าครั้งใหม่อาจช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ไขปริศนาบางอย่างของอาณาจักรควอนตัมได้

นับเป็นครั้งแรกที่นักฟิสิกส์สามารถวัด 'รูปร่าง' เชิงเรขาคณิตที่อิเล็กตรอนตัวเดียวรับเมื่อเคลื่อนที่ผ่านของแข็ง นับเป็นความสำเร็จที่จะปลดล็อกวิธีใหม่ในการศึกษาว่าของแข็งผลึกมีพฤติกรรมอย่างไรในระดับควอนตัม

"เราได้พัฒนาพิมพ์เขียวสำหรับการได้รับข้อมูลใหม่ที่ไม่เคยมีมาก่อน"นักฟิสิกส์ Riccardo Comin กล่าวของสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT)

การวิจัยนี้นำโดยนักฟิสิกส์ Mingu Kang อดีตของ MIT และตอนนี้อยู่ที่มหาวิทยาลัย Cornell และ Sunjie Kim จากมหาวิทยาลัยแห่งชาติโซล

ภายในจักรวาลทางกายภาพ สสารมีพฤติกรรมในลักษณะที่ฟิสิกส์คลาสสิกอธิบายไว้อย่างดี

อย่างไรก็ตาม ในระดับพื้นฐานของปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคและวิธีการวัด สิ่งต่างๆ อาจดูแปลกไปบ้าง ในเครื่องชั่งที่ดีที่สุด ความแม่นยำจะต้องเปิดทางให้กับคำอธิบายที่คลุมเครือมากขึ้นซึ่งแสดงโดยคลื่นแห่งความเป็นไปได้ที่เรียกว่ากลศาสตร์ควอนตัม

เราเรียกวัตถุเช่นอิเล็กตรอนว่าเป็นอนุภาค และนั่นสื่อถึงความรู้สึกที่ว่ามันเป็นเหมือนลูกบอลเล็กๆ เล็กๆ เมื่อพิจารณาจากขนาด คุณสมบัติและพฤติกรรมของอิเล็กตรอนสามารถอธิบายได้แม่นยำกว่ามากโดยธรรมชาติของควอนตัมที่มีลักษณะคล้ายคลื่น

ในการอธิบายลักษณะคลื่นของอิเล็กตรอน นักฟิสิกส์ใช้ฟังก์ชันคลื่น ซึ่งเป็นแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายคุณสมบัติของคลื่นว่าเป็นความเป็นไปได้ที่พัฒนาไปในการค้นหาอนุภาคในตำแหน่งเฉพาะที่มีคุณสมบัติเฉพาะ

คุณลักษณะบางอย่างเหล่านี้เราสามารถมองได้ว่าเป็นเรขาคณิตชนิดหนึ่ง ซึ่งมักจะไม่ต่างจากเส้นโค้งหรือทรงกลมที่หมุนไปในทิศทางจำนวนอนันต์ เรขาคณิตควอนตัมรูปแบบอื่นๆ เช่นเดียวกับของอะตอมนั้นซับซ้อนเท่ากับกขวดไคลน์หรือกแถบโมเบียส-

การกำหนดบางแง่มุมของความยุ่งเหยิงเรขาคณิตควอนตัมของอิเล็กตรอนในของแข็งก่อนหน้านี้เกี่ยวข้องกับการคาดเดามากมายโดยพิจารณาจากคุณสมบัติของนักฟิสิกส์สามารถวัด.

ในการวัดเรขาคณิตควอนตัมของอิเล็กตรอน Kang, Jie และเพื่อนร่วมงานของพวกเขาได้ค้นหาการวัดคุณสมบัติที่เรียกว่าเมตริกซ์เรขาคณิตควอนตัมหรือ QGT นี่คือปริมาณทางกายภาพที่เข้ารหัสข้อมูลเรขาคณิตทั้งหมดของสถานะควอนตัมคล้ายกับวิธีที่โฮโลแกรมสองมิติเข้ารหัสข้อมูลเกี่ยวกับพื้นที่สามมิติ

เทคนิคที่พวกเขาใช้เรียกว่าสเปกโทรสโกปีการปล่อยแสงแบบแก้ไขมุมโดยโฟตอนถูกยิงไปที่วัสดุเพื่อไล่อิเล็กตรอนออกและวัดคุณสมบัติของพวกมัน เช่น โพลาไรเซชัน การหมุน และมุม

สิ่งนี้มุ่งเป้าไปที่ผลึกเดี่ยวของโลหะผสมโคบอลต์-ดีบุก ซึ่งเป็นวัสดุที่เรียกว่า aคาโงเมะเมทัล– วัสดุควอนตัมที่มีคุณสมบัติที่ทีมงานเคยตรวจสอบมาก่อนหน้านี้โดยใช้เทคนิคเดียวกัน

ผลลัพธ์นี้ช่วยให้นักวิจัยสามารถวัด QGT ในของแข็งได้เป็นครั้งแรก และจากนี้ พวกเขาสามารถสรุปเรขาคณิตควอนตัมที่เหลือของอิเล็กตรอนในโลหะได้

ทีมงานได้เปรียบเทียบสิ่งนี้กับเรขาคณิตควอนตัมที่ได้รับตามทฤษฎีสำหรับวัสดุชนิดเดียวกัน ช่วยให้พวกเขาสามารถระบุประโยชน์ของการประมาณค่าเรขาคณิตเมื่อเปรียบเทียบกับการวัดโดยตรง

และพวกเขากล่าวว่าเทคนิคของพวกเขาจะสามารถใช้ได้กับวัสดุหลากหลายประเภท ไม่ใช่แค่โลหะผสมโคบอลต์-ดีบุกที่ใช้ในการศึกษานี้เท่านั้น มันจะเป็นผลลัพธ์ที่จะมีผลกระทบที่น่าสนใจบางประการ ตัวอย่างเช่น เรขาคณิตควอนตัมสามารถใช้ประโยชน์จากการค้นพบได้ในวัสดุที่ปกติจะไม่พบ

"การตีความทางเรขาคณิตของกลศาสตร์ควอนตัมเป็นรากฐานของความก้าวหน้าล่าสุดมากมายในฟิสิกส์สสารควบแน่น"ไม่ระบุชื่อผู้เชี่ยวชาญบอกฟิสิกส์ธรรมชาติ-

"ผู้เขียนเหล่านี้ได้บุกเบิกระเบียบวิธีในการทดลองเข้าถึงเทนเซอร์เรขาคณิตควอนตัม ซึ่งกำหนดลักษณะพื้นฐานคุณสมบัติทางเรขาคณิตของสถานะควอนตัม วิธีการที่พัฒนาขึ้นนั้นตรงไปตรงมา สามารถใช้ได้กับวัสดุโซลิดสเตตต่างๆ และมีศักยภาพที่ดีในการส่งเสริมกิจกรรมการทดลองเพื่อแสวงหา ความเข้าใจทางเรขาคณิตของปรากฏการณ์ควอนตัมนวนิยาย"

งานวิจัยของทีมได้รับการตีพิมพ์ในฟิสิกส์ธรรมชาติ-