Как передавать информацию с невероятной скоростью или заставить электричество течь без потерь энергии? Ответы на эти вопросы побуждают ученых и технологические компании обращаться к квантовым материалам – веществам, чье поведение подчиняется законам физики на самых малых масштабах. Создание таких передовых материалов зависит от понимания поведения атомов и электронов, область, где до сих пор остается много загадок.
Недавно исследователи из Женевского университета (UNIGE) совместно с коллегами из Университета Салерно и Института CNR-SPIN в Италии совершили значительный прорыв. Они обнаружили ранее неизвестную геометрическую особенность внутри квантового материала, которая изменяет движение электронов подобно тому, как гравитация искривляет свет. Результаты, опубликованные в журнале «Science», открывают новые возможности для квантовой электроники следующего поколения.
Современные технологии опираются на материалы с выдающимися характеристиками, многие из которых являются результатом достижений квантовой физики. Эта область науки изучает материю на микроскопическом уровне, где частицы ведут себя удивительным образом. За последнее столетие исследования атомов, электронов и фотонов привели к изобретению транзисторов и заложили основу для современных компьютеров. Даже сегодня ученые продолжают открывать квантовые эффекты, бросающие вызов устоявшимся теориям. Недавние работы предполагают, что при взаимодействии огромного числа частиц внутри определенных материалов может возникать своего рода внутренняя геометрия. Эта структура способна перенаправлять движение электронов, что очень напоминает описание искривления света в теории гравитации Эйнштейна.
Эта внутренняя структура известна как «квантовая метрика». Она описывает кривизну квантового пространства, через которое движутся электроны, и влияет на многие микроскопические свойства материалов. Несмотря на ее важность, доказать существование метрики экспериментально было чрезвычайно сложно. «Концепция квантовой метрики возникла около 20 лет назад, но долгое время считалась чисто теоретической конструкцией. Лишь в последние годы ученые начали изучать ее реальное влияние на свойства материи», – объясняет Андреа Кавилья, профессор и директор Департамента физики квантовой материи научного факультета UNIGE.
В новом исследовании научная группа под руководством UNIGE и Кармине Ортикса, доцента кафедры физики Университета Салерно, зафиксировала квантовую метрику на границе между двумя оксидными материалами – титанатом стронция и алюминатом лантана. Этот интерфейс уже известен как мощная платформа для изучения квантового поведения. «Ее присутствие можно выявить, наблюдая, как траектории электронов искажаются под совместным влиянием квантовой метрики и сильных магнитных полей, приложенных к твердым телам», – поясняет Джакомо Сала, научный сотрудник Департамента физики квантовой материи UNIGE и ведущий автор исследования.
Возможность наблюдать этот эффект позволяет ученым точнее измерять оптические, электронные и транспортные свойства материала. Команда также обнаружила, что квантовая метрика является фундаментальной характеристикой многих материалов, а не редким исключением, как считалось ранее. «Эти открытия открывают новые пути для исследования и использования квантовой геометрии в широком спектре материалов, что имеет серьезные последствия для будущей электроники, работающей на терагерцовых частотах (триллион герц), а также для сверхпроводимости и взаимодействия света с веществом», – заключает Андреа Кавилья.
