物理学家首次测量了电子的量子几何

一项新的突破可能会帮助科学家解开量子领域的一些谜团。

物理学家们第一次能够测量出一个电子在固体中运动时的几何形状。这一成就将开启一种全新的方式来研究晶体固体在量子水平上的行为。

麻省理工学院（MIT）的物理学家里卡多·科明（Riccardo Comin）说：“我们基本上已经制定了一个蓝图，可以获得一些以前无法获得的全新信息。”

这项研究由物理学家Mingu Kang（前麻省理工学院，现康奈尔大学）和首尔国立大学的Sunjie Kim领导。

在物理宇宙中，物质的行为方式被经典物理学很好地描述了。

然而，在粒子相互作用和测量方法的更基本层面上，事情可能会变得有点奇怪。在最精细的尺度上，精确度必须让位于一种更为模糊的描述，这种描述由被称为量子力学的可能性波所代表。

我们把像电子这样的物体称为粒子，这给人的印象是它们就像微小的小球。考虑到它们的大小，电子的性质和行为更准确地描述为它们的波状量子性质。

为了描述电子的波动方面，物理学家使用波函数：将波的特性描述为在具有特定特征的特定位置找到粒子的不断发展的可能性的数学模型。

我们可以将其中一些特征视为一种几何形状，通常与在无限多个方向上旋转的曲线或球体没有什么不同。其他形式的量子几何，如原子晶格中的电子，就像克莱因瓶或莫比乌斯带一样复杂。

在此之前，确定固体中电子混乱的量子几何的某些方面涉及到许多基于物理学家可以测量的性质的猜测。

为了测量电子的量子几何，科学家们寻求测量一种被称为量子几何张量（QGT）的特性。这是一个物理量，它编码了量子态的整个几何信息，类似于二维全息图编码三维空间信息的方式。

他们使用的技术被称为角度分辨光谱学，在这种技术中，光子被发射到一种材料上，以驱逐电子，并测量它们的性质，如极化、自旋和角度。

这是针对钴锡合金的单晶，一种被称为“kagome”金属的材料 —— 一种量子材料，其性质该团队之前使用相同的技术进行了研究。

研究结果为研究人员提供了第一次在固体中测量QGT的方法，并由此推断出金属中电子的其余量子几何形状。

该团队将其与相同材料的理论推导量子几何进行了比较，使他们能够确定与直接测量相比，估计几何形状的有用性。

而且，他们说，他们的技术将适用于广泛的材料，而不仅仅是用于这项研究的钴锡合金。这个结果会有一些有趣的含义。例如，量子几何可以用来发现通常不存在的材料中的超导性。

“量子力学的几何解释支撑着凝聚态物理学的许多最新进展。”

“这些作者开创了一种实验方法来访问量子几何张量，它从根本上表征了量子态的几何特性。所开发的方法很简单，适用于各种固态材料，并且在追求对新量子现象的几何理解方面具有很大的潜力，可以促进实验活动。”

该团队的研究发表在《自然物理学》杂志上。

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